UNIVERSIDAD RAFAEL LANDVARFACULTAD DE INGENIERA

COGENERACIN DE VAPOR MEDIANTE EL APROVECHAMIENTO DE LOS GASES DE ESCAPE DE UN MOTOR DE COMBUSTIN INTERNA

JORGE ANTONIO CASTELLANOS VALLADARESCARNET No. 45328-92NOVIEMBRE, 1999

NDICEPg.

1. INTRODUCCIN12. DEFINICIN DE TRMINOS IMPORTANTES43. MARCO TERICO83.1 COGENERACIN83.1.1 DESARROLLO83.1.2 BENEFICIOS93.2 APLICACIONES DE LA COGENERACION EN GUATEMALA103.2.1 APLICACIONES DE SECADO103.2.2 APLICACIONES PARA INDUSTRIAS TEXTILES103.2.3 CALEFACCIN Y REFRIGERACIN103.3 TIPOS PRINCIPALES DE PLANTAS DE COGENERACIN123.3.1 PLANTAS DE COGENERACIN CON MOTORES ALTERNATIVOS123.3.2 PLANTAS DE COGENERACIN CON TURBINAS DE GAS123.4 CALDERAS133.4.1 CALDERAS ACUOTUBULARES153.4.2 CALDERAS PIROTUBULARES153.4.3 CALDERAS DE CALOR DE DESPERDICIO163.5 INTERCAMBIO DE CALOR183.5.1 COEFICIENTE GLOBAL DE TRANSFERENCIA DE CALOR193.6 CONSIDERACIONES PARA EL DISEO DE CALDERAS203.7 MATERIALES PARA LA MANUFACTURA DE CALDERAS213.7.1 ACERO PLANO AL CARBN223.7.2 ACERO DE BAJA ALEACIN233.7.3 ACERO AUSTENTICO243.7.4 ACERO DE REVESTIMIENTO INTEGRAL243.7.5 ACEROS RESISTENTES AL CALOR253.7.5.1 ACEROS REFRACTARIO MARTENSTICO263.8 CARACTERSTICAS DE LA SOLDADURA DEL SERPENTN273.9 PRINCIPALES TIPOS DE MOTORES283.9.1 MOTORES DE COMBUSTIN INTERNA283.9.2 MOTORES ESTACIONARIOS303.9.3 MOTORES MARINOS313.9.4 MOTORES Krupp MaK323.9.4.1 SISTEMA DE COMBUSTIBLE333.9.4.2 SISTEMA DE LUBRICACIN333.9.4.3 SISTEMA DE ENFRIAMIENTO333.9.4.4 SISTEMA DE AIRE343.9.4.5 GENERACIN343.10 PLANTEAMIENTO DEL PROBLEMA35

4. OBJETIVOS364.1 OBJETIVO GENERAL364.2 OBJETIVOS ESPECFICOS365. ALCANCES Y LIMITACIONES376. APORTE DE LA INVESTIGACIN A GUATEMALA387. INSTRUMENTOS39FIGURA I: SISTEMA DE COGENERACIN408. PROCEDIMIENTO419. CLCULOS429.1 CLCULO DEL REA DE TRANSFERENCIA DE CALOR DEL INTERCAMBIADOR429.2 CLCULO DEL GASTO MSICO DE AGUA DEL INTERCAM- BIADOR449.3 CLCULO DEL AISLANTE DEL INTERCAMBIADOR469.4 CLCULO DE LA SOLDADURA DEL SERPENTN489.5 CLCULO DE LA BASE DEL INTERCAMBIADOR4910. IMPACTO ECONMICO DEL PROYECTO5211. CONCLUSIONES Y RECOMENDACIONES5512. BIBLIOGRAFA5613. ANEXOS58FIGURA II: CALDERA DE RECUPERACIN59FIGURA III: BASE DEL INTERCAMBIADOR60FIGURA IV: SECCIONES DEL INTERCAMBIADOR61FIGURA V: SERPENTIN DEL INTERCAMBIADOR62TABLA I: COLUMNAS TIPO W63TABLA II: CARGAS PERMISIBLES PARA ACERO64TABLA III: REQUERIMIENTOS DE ESPESOR PARA ELEMENTOS EN COMPRESIN65

1. INTRODUCCINEl proceso conocido como cogeneracin se refiere al aprovechamiento de la energa calorfica de los gases de escape producidos por un motor de combustin interna acoplado a un generador elctrico. Se define como un sistema de produccin simultnea de dos o ms fuentes de energa (generalmente trmica y elctrica), porque el combustible es aprovechado dos veces, por lo tanto esta tecnologa mejora la eficiencia obtenida al utilizar el combustible solamente para la produccin de electricidad, como se hace en el sistema convencional, tales sistemas de generacin, solamente aprovechan una tercera parte de la energa disponible en el combustible, la cual es empleada como energa utilizable para impulsar generadores elctricos, por otro lado, en una planta de cogeneracin, los gases de escape son recuperados y usados, lo cual da como resultado un aprovechamiento de aproximadamente 90% de la energa total utilizable. El beneficio de este aprovechamiento radica en que estos gases poseen un gran poder energtico, el cual se desperdicia y que posteriormente pasar a ser una fuente muy importante de energa. El funcionamiento de un sistema de cogeneracin no interfiere con el proceso productivo, incluso en el caso poco probable que el sistema de cogeneracin se encontrara fuera de servicio, no interrumpe el proceso de produccin de energa elctrica de la planta de generacin, por la sencilla razn de estar acoplado independientemente y posterior al proceso de generacin de energa.La instalacin de un proyecto de esta naturaleza slo tiene un costo de inversin inicial, pues al ser implementado, no se necesitar de mayor inversin, mas que el costo de mantenimiento para el tratamiento del agua de alimentacin al intercambiador.El propsito de este estudio es crear o disear un sistema de recuperacin de energa mediante un sistema de cogeneracin basado en el principio de intercambio de calor. Los gases de combustin, que poseen la energa calorfica, se harn pasar por un intercambiador de calor, el cual tiene como objetivo primordial la generacin de vapor. Es mediante este sistema, que se realizar la recuperacin de energa o reduccin de costos energticos, pues el vapor generado por el intercambiador o caldera puede ser utilizado para diversos fines, que incidirn en una disminucin de costos para la industria que lo implemente.Actualmente en la planta textil, en la que se realiza el presente estudio; se estn generando 15 MW de potencia elctrica por medio de tres generadores movidos por motores de combustin interna, que proporcionan energa a toda la planta. Cuando dichos motores trabajan a plena carga, o sea al 100% de su capacidad instalada, se producen aproximadamente 37,200 kg/h de gases de escape por motor a una temperatura de 430 grados centgrados.Esta planta de generacin utiliza entre otras cosas, vapor para diversos fines, tales como: precalentamiento de las lneas de combustible, suministro de vapor para las diferentes centrfugas (de combustible y aceite), precalentamiento de los tanques de servicio y almacenamiento de combustible. Para el suministro de vapor de los elementos antes mencionados se utilizan dos calderas pirotubulares Cleaver-Brooks de 150 caballos de vapor, las cuales abastecen a la planta de generacin con el vapor necesario para el equipo auxiliar y los sistemas antes mencionados. La utilizacin de estas calderas trae consigo costos adicionales, pues dichas calderas trabajan con aceite pesado.Los gases de escape generados por el motor de combustin son desechados al ambiente sin sacarles provecho alguno. De esta manera se desperdicia tan valiosa fuente de energa calorfica.La decisin de analizar este proyecto de cogeneracin deviene de la creciente necesidad de vapor para la planta textil. Las calderas con las que se cuenta actualmente ya estn trabajando a su mxima capacidad y debido a las expansiones futuras programadas, se proyectan requerimientos mayores de vapor. Constantemente se buscan tecnologas energticas renovables, tal es el caso de utilizar el aire caliente de compresores para acelerar el secado de determinado proceso textil. Otra fuente de energa trmica es la de un pozo geotrmico que suministra agua a alta temperatura para precalentar el agua de alimentacin a las calderas para as reducir el consumo de combustible de stas; pues al precalentar el agua de suministro a calderas, la misma llega a aproximadamente 60 grados centgrados, necesitndose as un aumento relativamente bajo de la temperatura del agua de alimentacin para alcanzar la ebullicin. Dada las necesidades de vapor se proyecta la utilizacin de los gases de escape de la planta de generacin para producir vapor por medio de un intercambiador de calor.La competitividad mundial plantea la creciente necesidad de reducir costos. Con un proyecto de este tipo se est asegurando una fuente de energa, en este caso vapor, sin costo alguno adicional, mas que el costo de la inversin inicial. Otra ventaja de este proyecto, es que la planta de generacin de vapor surtir tanto a la planta de generacin elctrica, como a la planta textil. Aprovechndose el vapor necesario para la planta de generacin y el resto se transferir a la fbrica textil. La fuente de energa, por lo tanto, se origina de la emanacin constante de gases calientes que provienen del motor y que surten energa calorfica al intercambiador para la generacin de vapor. Si la planta de produccin parara y el motor continuara su operacin, se utilizar nicamente el vapor necesario para surtir a la planta de generacin de energa elctrica y el resto se condensar, para que luego el retorno de condensado se utilice nuevamente en la planta de generacin de vapor o en el peor de los casos, dicho vapor extra se sacar al ambiente.Por todas estas razones vale la pena poner en prctica un proyecto de esta naturaleza, pues son obvios los beneficios que se pueden derivar de l.

2. DEFINICIN DE TRMINOS IMPORTANTES

Combustin: Combinacin de un cuerpo combustible (normalmente bunker o diesel) con otro comburente que es el que activa o inicia la combustin, por ej.: el O2.

Watt: Unidad de la potencia elctrica, es igual a la potencia desarrollada por una corriente elctrica que produce el trabajo de un joule en un segundo.

Caballo de vapor: Unidad de medida que expresa la potencia de una mquina, y representa el esfuerzo necesario para levantar, a un metro de altura, en un segundo, 75 Kg de peso.

Calor: Forma de energa, la cual se propaga de 3 formas distintas,a) Por conduccin o transmisin a travs de las molculas del medio.b) Por conveccin o circulacin del fluido en contacto con la fuente de calor.[footnoteRef:1] [1: Black, William, Termodinmica (Mxico D.F. : Compaa Editorial Continental, 1992) ]

c) Por radiacin electromagntica (emisin en forma de onda).

Cmara de combustin: En los motores de explosin, es un espacio libre situado entre la culata y la cabeza del pistn, en el cual se produce la ignicin de los gases.

Culata: Cmara situada en la parte superior del cilindro de un motor de explosin, en la que se hallan las vlvulas.

Gases de desperdicio: Son los gases que quedan como resultado de la combustin, por medio de los cuales se obtiene un mayor rendimiento econmico en la industria de que se trate, pues pueden ser aprovechados para un sin fin de objetivos. [footnoteRef:2] [2: Shield, Carl D., Calderas: Tipos, Caractersticas y sus Funciones (Mxico D.F. : Compaa Editorial Continental, 1965) ]

Motor diesel: Es un motor de combustin interna, en el cual se comprime el aire de admisin a una alta presin. Luego de esta compresin el combustible es inyectado dentro de la cmara y debido a que el aire se encuentra a una temperatura superior a la de inflamacin del combustible, se produce la ignicin de ste a una presin casi constante. La expansin de los productos originados en la combustin va seguida por el proceso de escape de los gases, el cual a su vez va seguido por la aspiracin de aire fresco.[footnoteRef:3] [3: Heywood, John B., Internal Combustion Engines Fundamentals (Singapore: McGraw-Hill, 1988)]

Horno: Es una cmara donde se efecta la combustin. Esta cmara regula, confina la combustin de los productos y es capaz de resistir las altas temperaturas y presiones que se generan. Sus dimensiones y geometra estn adaptadas a la velocidad de transformacin en energa trmica, al tipo de combustible utilizado y al mtodo de combustin, de tal manera que promuevan una combustin completa y proporcionen un medio para eliminar la ceniza. En hornos enfriados por agua, el calor absorbido por radiacin afecta directamente la temperatura de los gases de combustin en el interior del horno, as como los gases que salen del mismo, lo cual constituye la generacin de vapor.[footnoteRef:4] [4: Shield, Carl D., Calderas: Tipos, Caractersticas y sus Funciones (Mxico D.F. : Compaa Editorial Continental, 1965) ]

Dureza del agua: Es la forma frecuente de expresar la concentracin de impurezas que relaciona las partes en peso del elemento impuro por milln de partes de agua (ppm). Todas las aguas naturales contienen impurezas, muchas de las cuales pueden daar la operacin de la caldera. Estas impurezas pueden originarse en la tierra y en la atmsfera y se clasifican en una forma muy amplia como materias orgnicas e inorgnicas disueltas, en suspensin y gases disueltos.[footnoteRef:5] [5: Shield, Carl D., Calderas: Tipos, Caractersticas y sus Funciones (Mxico D.F. : Compaa Editorial Continental, 1965)]

Agua de alimentacin: Se llama as al agua que ingresa a la caldera despus de un tratamiento, o bien, con mayor frecuencia obtenida como una mezcla de condensado y agua tratada. Para evitar la corrosin tanto en la caldera como en el sistema de precalentamiento, se debe eliminar cualquier tipo de gas disuelto. El factor primordial en la corrosin de superficies de acero en contacto con el agua es, quiz, el oxgeno disuelto, el cual puede estar disuelto en el agua de alimentacin debido a su contacto previo con el aire de la atmsfera.

Tratamiento de agua de la caldera: Tiene por objeto evitar la corrosin, las impurezas en las superficies conductoras de calor y la contaminacin del vapor, tambin es un auxiliar que ayuda a mantener dentro de los lmites satisfactorios las condiciones generales del agua. El tratamiento requiere cantidades apropiadas de productos qumicos que reaccionan con las impurezas residuales presentes en el agua de alimentacin. La prevencin de la corrosin en las calderas se realiza manteniendo un estado alcalino en el agua, situacin que se expresa en trminos de pH, o bien, en alcalinidad total.

pH: La acidez o alcalinidad de una solucin se designa en trminos de su pH, que es un valor referido a una escala logartmica, la cual fue propuesta en 1909 por Sorenson. La letra p es la inicial de la palabra alemana Potenz, que significa potencia o exponente; y la letra H representa la concentracin del ion hidrgeno en la solucin. De lo anterior y por definicin, se tiene que el valor de pH es igual al logaritmo del recproco de la concentracin de iones hidrgeno medido en moles (gramo-mol) por litro.[footnoteRef:6] [6: ibid.]

Relacin de compresin: Se obtiene dividiendo la suma del desplazamiento ms el espacio muerto entre el volumen del espacio muerto de la cmara de combustin. La relacin de compresin real es bastante menor que su valor nominal, debido al retraso en el cierre de la vlvula de admisin.

Transferencia de calor: Cantidad de energa calorfica que se intercambia del lugar de mayor temperatura al de menor temperatura, as cumpliendo la segunda ley de la termodinmica.

Segunda Ley de la Termodinmica: Indica que el calor se transfiere del elemento de mayor temperatura al de menor temperatura, desarrollando un trabajo. La ley tambin establece que se necesita hacer un trabajo para pasar calor de un elemento de baja temperatura a uno de mayor temperatura.[footnoteRef:7] [7: Black, William, Termodinmica (Mxico D.F. : Compaa Editorial Continental, 1992) ]

3. MARCO TERICO

3.1 COGENERACIN

3.1.1 DESARROLLOPor consecuencia del gran auge industrial que se vive en el siglo XX, el hombre dedica grandes esfuerzos de todo tipo para conseguir energas y adecuarlas para su uso final en los centros consumidores.El problema energtico no es slo la escasez de la energa, sino tambin la capacidad tecnolgica de su conversin en formas energticas tiles. Las energas deseadas (porque son fciles de usar) son escasas y la energa elctrica (tal vez la ms usada por su facilidad de uso) es tan escasa que no existe en la naturaleza en forma aprovechable y el hombre ha tenido que ingeniar sistemas para producirla en formas ms tiles.El proceso energtico convencional es en el cual la energa primaria (por ejemplo, petrleo o gas natural) se convierte en combustible (en refineras en el caso del petrleo) cuyo uso lo realiza el usuario final y en parte lo realiza el sector energtico para convertirla en electricidad en sus centrales.Por otro lado, en el caso de la cogeneracin, el usuario adquiere el combustible con el que produce simultneamente electricidad y calor en su propio centro. En este tipo de proceso se emplean tecnologas, tambin conocidas y experimentadas, pero utilizando otras alternativas que le permiten alcanzar rendimientos mucho ms elevados. La tecnologa de la cogeneracin podra definirse como un sistema que, partiendo de una energa de calidad media, (la del combustible) la convierte en electricidad y en otras formas energticas, como vapor o agua caliente. Estas formas energticas, (electricidad y vapor) son formas energticas deseadas y tiles.Los sistemas de cogeneracin se han demostrado eficaces y econmicos para generar energa elctrica y son, en la actualidad, sumamente competitivos con las grandes centrales de las compaas del rgimen ordinario.

3.1.2 BENEFICIOSLa cogeneracin ofrece importantes ventajas sobre cualquier otro sistema de produccin de electricidad. Esta tecnologa tiene asegurado su desarrollo por los beneficios que origina su implementacin, tales como: Es el proceso ms eficiente y menos contaminante para producir electricidad a o partir de gas natural y derivados del petrleo Reduce emisiones contaminantes del ambiente, como dixido de carbono y dixido de azufre, entre otros Permite utilizar residuos para la produccin de energa elctrica Es el proceso ms econmico y que adems permite el aprovechamiento de subproductos que de otra forma son desperdiciados. Reduce los costos energticos por reduccin de consumo de combustible al lograr una mejor utilizacin de las fuentes energticas.

3.2 APLICACIONES DE LA COGENERACIN EN GUATEMALA

3.2.1 APLICACIONES DE SECADOSe han desarrollado numerosas aplicaciones, estas plantas son muy simples en su concepto y muy econmicas, ya que los gases calientes generados por una turbina o un motor son utilizables directamente en el proceso de secado.

3.2.2 APLICACIONES PARA INDUSTRIAS TEXTILESEn la industria textil se encuentran muchos procesos que utilizan aceite trmico o vapor. Cuando se dispone de gas natural, la tendencia es sustituir el aceite trmico o vapor por gases de combustin directa. Como alternativa a esta solucin es posible utilizar el gas de motores para cogenerar electricidad y producir el aceite trmico o vapor en una caldera de recuperacin. Este es el enfoque que se le dar al sistema y diseo del intercambiador de calor que se realizar en este proyecto3.2.3 CALEFACCIN Y REFRIGERACIN Aunque este sistema no se ha desarrollado en forma masiva en nuestro medio, esta aplicacin es probablemente la ms utilizada en el centro y norte de Europa, donde la climatologa ayuda en forma sustancial a esta tpica aplicacin que se basa en la trigeneracin, que es la produccin conjunta de calor, electricidad y fro. Bsicamente, una planta de trigeneracin es prcticamente igual a una de cogeneracin, con la diferencia que a sta ltima se le aade un sistema de absorcin para produccin de fro. La cogeneracin, que en un principio no se implementaba en centros que no consumieran calor, puede utilizarse en centros que precisen fro y en los cuales se produzca electricidad. Un mercado que abre el concepto de trigeneracin es el del sector terciario, donde adems de necesidades de calefaccin y agua caliente (hospitales, hoteles, etc.) se requieren importantes cantidades de fro para climatizacin, que consume una gran proporcin de la demanda elctrica.Por otro lado, a pesar de todas las ventajas que representa un sistema de cogeneracin, no se puede cogenerar en forma indiscriminada, aunque existan diversas formas de utilizar este sistema en un mismo centro de consumo. En forma simple, se podra decir que puede cogenerar todo consumidor de energa trmica que la utilice a una temperatura inferior a los 500C. As todos los consumidores de vapor, fluido trmico, agua caliente o gases para secado son potenciales usuarios de este sistema. No son potencialmente cogeneradores los grandes consumidores de electricidad que no requieren consumos trmicos, ni los grandes consumidores de calor que requieren elevadas temperaturas en su proceso. Tpicamente, las industrias qumicas, alimentarias, papeleras, etc., son potenciales cogeneradoras. Tambin los grandes consumidores del sector terciario (centros comerciales, hospitales, complejos hoteleros, etc.) tienen capacidad cogeneradora y en prximo futuro, sin duda se desarrollarn sistemas de distribucin de calor y fro en centro urbanos. Para determinar la capacidad cogeneradora de un centro se deben de considerar tambin aspectos como las variaciones de la demanda a lo largo del da y el consumo absoluto anual del usuario, ya que por debajo de ciertas cantidades los proyectos no suelen ser econmicos.

3.3 TIPOS PRINCIPALES DE PLANTAS DE COGENERACINA continuacin se describen los sistemas de cogeneracin ms utilizados en los ltimos aos y sus oportunidades de aplicacin en procesos industriales por las caractersticas de cada uno de ellos.

3.3.1 PLANTAS DE COGENERACIN CON MOTORES ALTERNATIVOSUtilizan gas natural, gasleo o fuel aceite como combustible (bnker). Las potencias unitarias desarrolladas generalmente oscilan entre 1.5 y 10 MW. Por asociacin en paralelo de grupos generadores su potencia puede alcanzar tamaos muy superiores, pero a partir de 15 MW probablemente sern ms rentables los ciclos con turbinas si se dispone de gas natural. Las plantas con motores alternativos tienen la gran ventaja de ser muy eficientes elctricamente y al mismo tiempo la desventaja de ser poco eficientes trmicamente. El sistema de recuperacin trmica se disea en funcin de los requisitos de la industria y en general se basan en la produccin de vapor a baja presin (hasta 12 bares), aceite trmico y en el aprovechamiento del circuito de alta temperatura del agua de refrigeracin del motor. Son tambin adecuadas la produccin de fro por absorcin bien sea a travs de vapor generado con los gases de las mquinas de doble efecto, o utilizando directamente el calor de agua de refrigeracin en mquinas de simple efecto.

3.3.2 PLANTAS DE COGENERACIN CON TURBINAS DE GASLas turbinas de gas se han desarrollado en los ltimos aos gracias a su aplicacin en la industria aeronutica y si bien sus rendimientos de conversin son inferiores a la de los motores alternativos, ofrecen la gran ventaja de la facilidad de recuperacin del calor que se encuentra concentrado prcticamente en sus gases de escape. Al estar stos a una temperatura de aproximadamente 500C, son idneos para producir vapor en un generador de recuperacin. Este vapor se puede producir a la presin de utilizacin del usuario, o generarse a alta presin y temperatura para su expansin previa en una turbina de vapor.

3.4 CALDERASEl trmino caldera se aplica en general a un dispositivo para generar vapor (1) para fuerza o procesos industriales; o (2) agua caliente para calefaccin o uso general. A una caldera se le considera un productor de vapor en trminos generales, pero muchas calderas diseadas para vapor se pueden convertir en calentadores de agua.Las calderas son diseadas para transmitir el calor procedente de una fuente externa (generalmente combustin de algn combustible), a un fluido contenido dentro de la misma caldera. Si este fluido no es agua ni vapor, a la unidad se le clasifica como un calentador de lquidos trmicos.El vapor o agua caliente, deben ser alimentados en las condiciones deseadas, es decir, de acuerdo con la presin, temperatura y calidad, y en la cantidad que se requiera. Por razones de economa, el calor debe ser generado y suministrado con un mnimo de prdidas.En la definicin tcnica, se comprende como una caldera nicamente al cuerpo que forma el recipiente y las superficies de calefaccin por conveccin.La capacidad de produccin de una caldera (cantidad de vapor o agua caliente por hora), depende de los siguientes factores:- Grado de combustin de combustible en el fogn.- Extensin de la superficie de calefaccin.- Proporcin en la que se distribuye la superficie, en reas de calefaccin primarias (calor radiante) y secundarias (calefaccin por conveccin).- La circulacin del vapor o del agua y la de los gases de combustin.

Las calderas poseen dispositivos que regulan la inyeccin de combustible de acuerdo a los requerimientos de vapor o presin a la que se desea dicho fluido. Cuando las calderas estn en operacin, tienen que ser purgadas para eliminar todos los slidos en suspensin y evitar la corrosin de los tubos. Estas purgas se hacen dependiendo de las cualidades del agua de alimentacin de la caldera. El agua de alimentacin es un parmetro muy importante en el manejo de las calderas, pues la conservacin de los tubos de agua depende directamente de la calidad del agua de alimentacin, la cual tiene que tener ciertas caractersticas tales como: dureza del agua igual a cero, un pH entre 7.5 - 8.6, slidos disueltos con un mximo de 1,200 ppm, fosfatos de 30 -60 ppm. Cuando el agua de alimentacin a la caldera es de mala calidad, la caldera se incrusta en el lado del agua y esta formacin que es comnmente de calcio crea una especie de aislante entre el agua y los gases que transfieren la energa. Esto trae consecuencias como, un incremento en el consumo de combustible y por lo tanto, una baja eficiencia en el sistema.El combustible tambin juega un papel importante en la operacin de las calderas, pues con un combustible de mala calidad crea formaciones o incrustaciones en el lado del fuego. Al igual que las incrustaciones en el lado del agua, stas reducen la eficiencia en el intercambio de calor, generando de esta forma costos innecesarios. Las incrustaciones en el lado del fuego de la caldera regularmente se deben a carbn, vanadio y azufre.La funcin del intercambiador o caldera que se disear en este proyecto, ser transferir el calor de los gases de combustin al agua alimentada al sistema para llevarla al punto de ebullicin a una presin de operacin.La generacin de vapor en una caldera es originada por la transferencia de calor de los gases de combustin (en el caso de este trabajo, los gases de escape generados por el motor) al agua que circula por la caldera. La produccin de vapor depende de la temperatura y velocidad del flujo de los gases de escape que circulan por la caldera.El vapor generado por una caldera depender del tipo de caldera que se trate, pues dicho vapor puede ser saturado o sobrecalentado y puede ser generado a diferentes presiones y temperaturas dependiendo del diseo y los requerimientos del sistema. El agua, al vaporizarse, se convierte en vapor de agua, el cual es un fluido gaseoso e incoloro. Dicho cambio de estado puede ocurrir por evaporacin o cuando el agua alcanza su punto de ebullicin, a aproximadamente 100 C y presin atmosfrica. El vapor de agua sometido a presin suministra energa para trabajos mecnicos, en mquinas de vapor y especialmente en las de mbolo. Tambin es utilizado en turbinas.[footnoteRef:8] [8: Shield, Carl D., Calderas: Tipos, Caractersticas y sus Funciones (Mxico D.F. : Compaa Editorial Continental, 1965)]

3.4.1 CALDERAS ACUOTUBULARESLas calderas se dividen en dos grandes grupos, en el primero, los tubos internos de la caldera estn llenos de agua y los gases de combustin pasan fuera de los tubos que transportan internamente el agua a fin de transferir el calor necesario para elevar la temperatura de dicho lquido a su punto de ebullicin Generalmente en una caldera acuotubular se encuentra un mximo de tubos verticales o inclinados en las secciones de transferencia de calor, la cual se da por conveccin y radiacin. Regularmente la mayor parte de los muros de los hornos estn cubiertos por bancos de tubos de agua, conocidos como pantallas de agua, que tienen el doble propsito de transferir el calor al agua para su ebullicin y tambin de enfriar el refractario de la pared del horno y as prolongar su vida.[footnoteRef:9] [9: ibid.]

3.4.2 CALDERAS PIROTUBULARES En el segundo tipo de caldera los tubos estn llenos de gas caliente, estos tubos estn sumergidos en el agua de la caldera y actan como medio de transferencia de calor. Estas calderas se clasifican generalmente como calderas de concha, ya que el agua y el vapor estn contenidos dentro de una coraza que aloja los elementos que producen el vapor. Las calderas pirotubulares son normalmente de construccin simple y fuerte, y son relativamente baratas (baja inversin inicial de capital). Otra ventaja es su flexibilidad para adaptarse rpidamente a cambios de carga, aunque son un tanto lentas en alcanzar la presin de operacin a partir de un arranque en fro debido a su gran contenido de agua.[footnoteRef:10] [10: ibid. ]

3.4.3 CALDERAS DE CALOR DE DESPERDICIO (O DE RECUPERACIN)Por las caractersticas del intercambiador que se disear, se le conoce como "Caldera de Calor de Desperdicio". La recuperacin de calor de los productos de desperdicio, gases resultantes de la combustin de algn combustible o de los procesos industriales, es con frecuencia una necesidad, tanto desde el punto de vista econmico, como por razones de contaminacin del aire o del agua. En algunos casos la produccin de vapor requerida por una fbrica, puede ser suministrada por calderas alimentadas a base de calor de desperdicio.El calor recuperable tiene su origen en los siguientes procesos:1. El calor que se origina como parte necesaria de un proceso industrial y que de otra manera sera desperdiciado, por ejemplo en un horno de fuego abierto. 2. El calor como subproducto de un proceso qumico, por ejemplo la recuperacin de licor negro.3. El calor obtenible de la combustin de desperdicios, tales como brazuelo, bagazo y recortes de madera (astillas).4. El calor obtenible de los gases de escape en motores de combustin interna de magnitudes considerables (regularmente estacionarios para generacin y barcos).Cualquier clase de producto o gas de desperdicio procedente de algn proceso industrial, que es descargado en forma continua a una temperatura aproximada de 300C o mayor, puede tomarse en cuenta para la recuperacin de calor. Aparte del vapor til obtenible, reduce el mantenimiento en los ductos, ventiladores y chimeneas. Con frecuencia se recuperan tambin de una manera ms completa, partculas de material til en los gases ya enfriados. Los combustibles de desperdicio ms importantes son, (1) gases procedentes de los altos hornos y motores de combustin interna, (2) gases de los hornos de coque, (3) fluido de coque de petrleo y (4) licor negro.Las necesidades especficas de los procesos de acero, cobre, cinc, cemento, papel y productos similares, han hecho surgir el diseo de varios tipos de calderas de vapor de desperdicio. Estas calderas se pueden clasificar de la siguiente manera:1. Calderas de tubos de gas - para gases relativamente limpios .2. Calderas acuotubulares - para gases limpios o cargados de polvo.3. Caldera de tubos curvados - para contenidos de polvo muy concentrados4. Caldera de tres domos, de poca altura - para cargas de polvo ligeras.5. Caldera de dos domos, de paredes de agua - para gases cargados con partculas pegajosas.6. Calderas de circulacin forzada - para gases limpios de baja temperatura.7. Caldera de fogn a presin o supercargado - para trabajar con los gases de escape de una turbina de gas.[footnoteRef:11] [11: Shield, Carl D., Calderas: Tipos, Caractersticas y sus Funciones (Mxico D.F. : Compaa Editorial Continental, 1965)]

3.5 INTERCAMBIO DE CALORLa energa suministrada por un fluido que posee una alta temperatura, a otro fluido que se encuentra a una temperatura ms baja, , ya sea por radiacin, conveccin, conduccin o una combinacin de stas. La transferencia de calor o intercambio ser ms rpido entre ms diferencia entre las temperaturas de ambos fluidos exista y mayor sea el rea de trasferencia de calor. Esta investigacin se enfocar en la transferencia de calor entre el serpentn de una caldera acuotubular y los gases de combustin de un motor de combustin interna. En este caso el fluido que posee la energa, son los gases de escape y el fluido que recibe la energa calorfica (transferencia de calor) es el agua que fluye en el interior del serpentn de la caldera.El rea de intercambio de calor en este estudio, son todas las partes de los tubos del intercambiador que estn en contacto con los gases de escape y por consecuencia de este contacto se transferir calor al agua que se encuentra en circulacin en el interior de estos tubos. Esto dar como resultado la evaporacin del lquido. Por ende la eficiencia del intercambio de calor depender del rea de contacto, del material de los tubos, de la temperatura de los gases de combustin, del caudal de los gases de escape y de la velocidad de stos. El principal problema en el diseo de una caldera, consiste en obtener la relacin correcta entre la cada de temperatura de los gases, la superficie de calefaccin y la prdida de tiro que proporcione la transmisin de calor ms econmica.El diseo de una caldera se basa en la combustin de una determinada cantidad de combustible, la que a su vez (dependiendo de las caractersticas del combustible), determina la temperatura de entrada y la cantidad de gases producidos por la combustin que tendr que manejarse en los retornos de la caldera. La remocin del calor contenido por estos gases, es funcin de la extensin de la superficie de transmisin de calor disponible y de la cada de temperatura de los gases. Para que se efecte esta transmisin de calor, es necesario que la superficie de calefaccin tenga una temperatura ms baja que la de los gases y que haya corriente de los productos de la combustin. El diseo de la superficie de calefaccin est condicionado por la cada deseada de la temperatura y por la prdida de tiro tolerable, que incluye la combinacin de los dimetros de los tubos, el espaciamiento entre los mismos, su longitud, el nmero de tubos a lo ancho y en el fondo.Tericamente un nmero propiamente reducido de dimetros y espaciamientos de los tubos da mejores resultados. La longitud de los tubos determina generalmente la localizacin del domo y de los cabezales o planchas portatubos. La corriente tolerable de masas de fluidos (gas, aire o agua), determina el ancho de la caldera. Es muy importante que todas las superficies de calefaccin puedan limpiarse, de lo contrario no absorbern calor.

3.5.1 COEFICIENTE GLOBAL DE TRANSFERENCIA DE CALOR:

La ecuacin bsica de diseo para un intercambiador de calor es:dA = dQ U ten donde dA es el elemento de rea superficial que se requiere para transferir una cantidad de calor dQ a un punto en el intercambiador, donde el coeficiente global de transferencia de calor es U y donde la diferencia global de temperaturas masivas entre las dos corrientes es t. El coeficiente global de transferencia de calor se relaciona con los coeficientes individuales de transferencia de calor de pelcula y con las resistencias de paredes y suciedades.[footnoteRef:12] [12: Pita, Edward G., Acondicionamiento de Aire: Principios y Sistemas (Mxico D.F.: Compaa Editorial Continental, 1994)]

3.6 CONSIDERACIONES PARA EL DISEO DE CALDERASDesde hace muchos aos, los ingenieros aspiran a la construccin de calderas mejores y ms eficientes, capaces de proporcionar calor y fuerza al menor costo posible. Los factores que ejercen mayor influencia sobre el desenvolvimiento de las calderas y de los generadores de vapor, son idnticos a aquellos que afectan a los cambios econmicos en general, especialmente los costos de mano de obra y materiales. Durante el perodo posterior a la Segunda Guerra Mundial, los efectos de estos factores se han hecho sufrir ms adecuadamente en el diseo de las calderas. Las condiciones actuales son muy diferentes a las que prevalecieron en el siglo pasado, en cuya poca el equipo era por lo general sobredimensionado y se fabricaba defectuosamente o con marcadas imperfecciones. En la actualidad se cuenta con multiplicidad de diseos y tipos de equipos, fabricados bajo normas exactas y con medidas uniformes. Esta abundancia de equipos ha permitido la obtencin de una caldera adecuada para cada caso, desde la diminuta unidad que pende del techo y es alimentada por gas domstico, hasta los grandes generadores de vapor para turbinas.La utilizacin de calderas se ha ido incrementando en los ltimos aos en nuestro territorio. Por ejemplo: las grandes calderas utilizadas para mover turbinas, las cuales a su vez mueven generadores elctricos y las calderas utilizadas para el proceso de la cerveza. Se pueden seguir mencionando un sin fin de procesos que utilizan este valioso instrumento, pero se har nfasis en la industria textil, ya que es una industria que es una rama industrial que ha crecido en Guatemala.La seleccin de una caldera o intercambiador para calor de desperdicio, se basa en las consideraciones siguientes:1. Naturaleza qumica, temperatura y corrosividad de los gases.2. Cantidad, porcentaje y naturaleza del contenido de polvo.3. Tiro del que se dispone4. Localizacin deseada para el ducto de salida (o descarga).5. Si los gases se encuentran bajo presin o bajo succin.6. Espacio disponible7. Necesidad de combustin suplementaria para el arranque, precalentamiento, uso de emergencia, estabilizacin de las condiciones del fogn o capacidad adicional.8. Otras necesidades especiales de proceso individual. En general al disear una caldera se trata de conseguir una velocidad relativamente alta a travs de un nmero reducido de tubos, para aumentar la transferencia de calor por conveccin y contrarrestar as las temperaturas bajas de los gases.En los gases de desperdicio obtenibles para la generacin de vapor, se encuentran grandes cantidades de polvo, pero las calderas se pueden mantener en condiciones correctas de operacin, utilizando colectores de polvo, bolsas y tolvas y en algunos casos transportadores. Los gases cargados de polvo tienen que manejarse a baja velocidad para reducir al mnimo la accin abrasiva sobre los tubos. Si los gases contienen partculas slidas o gneas (pegajosas o adhesivas), tienen que ser enfriados por radiacin en fogones de paredes de agua, antes de pasar a las zonas de conveccin.[footnoteRef:13] [13: Shield, Carl D., Calderas: Tipos, Caractersticas y sus Funciones (Mxico D.F. : Compaa Editorial Continental, 1965)]

3.7 MATERIALES PARA LA MANUFACTURA DE CALDERASLos materiales que se emplean en la construccin de calderas, se rigen por especificaciones cuidadosamente establecidas. Los requisitos concernientes se indican en el Cdigo ASME. En la construccin de calderas se encuentran una variedad considerable de aceros al carbn y aleaciones. El acero es una aleacin de hierro y carbono (con no ms de 1.7% de carbono), con pequeas proporciones variables de otros materiales. Primeramente es fundido, convirtindolo en una masa maleable, para ser despus laminado o forjado a su forma comercial. El acero de bajo carbono es ms dctil que el acero de alto carbn, pero este ltimo tiene resistencia mayor a la tensin.Las especificaciones del cdigo rigen sobre la seleccin de tubos, placas, piezas forjadas o de fundicin y pernos o tornillos. Los aceros de los estndares se aceptan usualmente para placas, barras y otros materiales estructurales que no sern sometidos a tensin.La resistencia a la tensin, normada, para aceros destinados a la fabricacin de calderas, es de 3,866.5 a 5,272.5 kg/cm. La tensin mnima de deformacin debe ser la mitad de la resistencia a la tensin.Los aceros principales, que son generalmente usados en la construccin de calderas, se agrupan de la manera siguiente:1. Aceros planos al carbn (de desoxidacin graduada, semitratados con aluminio-silicio y tratados con aluminio-silicio).2. Aceros de baja aleacin.3. Aceros al cromo, planos.4. Aceros austenticos.5. Aceros de revestimiento integral.[footnoteRef:14] [14: Shield, Carl D., Calderas: Tipos, Caractersticas y sus Funciones (Mxico D.F. : Compaa Editorial Continental, 1965)]

3.7.1 ACERO PLANO AL CARBN. Las especificaciones para estos aceros dependen de la construccin, ya sea remachada o soldada a forja. Estos aceros contienen un promedio de 0.20% a 0.30% de carbono. Prcticamente todas las placas hasta espesores de 38 mm (1 1/2"), que se utilizan para trabajos ordinarios, son de este material.Las placas de acero al carbn que se utilizan para cualquier parte de la caldera sujeta a presin y expuesta al fuego de la combustin, tienen que ser de calidad para fogn. Si el material sufre la accin de presiones, pero no est expuesto al contacto con el fuego ni con los gases de la combustin, las placas de acero empleadas pueden ser, ya sea, de acero especial para fogn o de acero dulce. Las placas de acero dulce es recomendable que tengan un espesor de 51 mm (2"). Para construcciones de primera se prefiere el acero de calidad especial para fogn, por la mayor uniformidad de su composicin qumica y por su apariencia ms limpia.El acero especial para fogn tiene un contenido mximo de carbono de 0.25% para placas de un espesor no mayor de 19 mm y de 0.30% para espesores mayores; el contenido mximo de fsforo es de 0.04% para el acero cido y de 0.035% para el acero bsico; el contenido mximo de azufre es de 0.04%. El acero plano al carbn es razonablemente resistente a la incrustacin por el vapor y atmsferas de combustin, hasta una temperatura aproximada de 538 grados centgrados; pero a tensiones altas, la oxidacin se acelera a las temperaturas un tanto bajas. Para temperaturas de ms de 482 grados centgrados, se usa exclusivamente acero tratado con aluminio-silicio. Con una exposicin prolongada a temperaturas superiores a unos 427 grados centgrados, el contenido de carburo en el acero se convierte en grafito. Algunas clases de aceros dulces (ASME SA-285) se emplean con temperaturas lmite de 454 grados centgrados. Hay constructores que utilizan tubos de acero al carbn para supercalentadores a temperaturas hasta de 510 grados centgrados dependiendo de las presiones de trabajo. Por lo general, el uso del acero plano al carbn est restringido para temperaturas abajo de los 427 C.[footnoteRef:15] [15: Shield, Carl D., Calderas: Tipos, Caractersticas y sus Funciones (Mxico D.F. : Compaa Editorial Continental, 1965)]

3.7.2 ACERO DE BAJA ALEACIN. Cierto nmero de aceros de baja aleacin son superiores al acero plano al carbn, en una o varias de las siguientes caractersticas: (1) resistencia en la temperatura ambiente, (2) resistencia en altas temperaturas, (3) resistencia al impacto en temperaturas bajas, (4) resistencia a la corrosin y (5) resistencia a la oxidacin y estabilidad en temperaturas altas. El acero al cromo-magneso-silicio, tiene una resistencia superior a la temperatura ambiente y presenta tambin mayor resistencia a la corrosin atmosfrica. El acero al nquel, es superior en resistencia a la temperatura ambiente y en resistencia al impacto. El acero al carbono-molibdeno, tiene mejores cualidades de resistencia a la alta temperatura.[footnoteRef:16] [16: Shield, Carl D., Calderas: Tipos, Caractersticas y sus Funciones (Mxico D.F. : Compaa Editorial Continental, 1965)]

3.7.3 ACERO AUSTENTICO. Estos aceros al cromo-nquel, se emplean en la construccin de calderas de alta presin y alta temperatura. El acero inoxidable se utiliza invariablemente para presiones arriba de 126.5 kg/cm y temperaturas superiores a 538 C. Aunque el acero ms comnmente usado, es el de 18-8 cromo-nquel, los aceros al cromo-nquel de 25-12 y 25-20, son superiores en el rango de las temperaturas extremadamente altas.Los aceros austenticos no son magnticos y no se endurecen al aire, pero se endurecen bien con el trabajo. Su baja conductividad trmica, con la consecuente menor resistencia a los choques trmicos, son un factor que debe tomarse en cuenta para su seleccin en condiciones de servicio pesado. Se caracterizan por su excelente resistencia a la corrosin y a la oxidacin.La tendencia hacia el aumento continuo de las temperaturas del vapor, se ha detenido actualmente por la falta de materiales adecuados para satisfacer esta condicin. El servicio que han dado los metales que se emplean en la actualidad, en los lmites de temperatura de 565 C, se considera satisfactorio.[footnoteRef:17] [17: ibid.]

3.7.4 ACERO DE REVESTIMIENTO INTEGRAL Las placas de acero al carbn o de aleaciones bajas revestidas con una capa integral de acero aleado, de nquel, monel, inconel o cobre, son muy poco usadas para la construccin de calderas. Sin embargo, encuentran aplicacin en la fabricacin de calentadores de agua y en la de elementos para reactores nucleares. Estos materiales proporcionan una proteccin anticorrosiva, a menor costo que los materiales slidos resistentes a la corrosin.[footnoteRef:18] [18: ibid. ]

3.7.5 ACEROS RESISTENTES AL CALOR (ACEROS REFRACTARIOS)Los aceros refractarios son aleaciones que deben soportar medios corrosivos a altas temperaturas. El contenido de cromo y nquel por lo general es superior al de los aceros inoxidables y frecuentemente van acompaados de otros elementos (molibdeno, cobre, aluminio, etc.) para favorecer dicha resistencia.La resistencia a la oxidacin de los refractarios se debe precisamente a la formacin de una pelcula de xido, que deber ser impermeable si se desea una buena resistencia a la corrosin.Al igual que en los inoxidables, el elemento que dota a los refractarios de buena resistencia a la corrosin es el cromo. Adiciones de aluminio y silicio hacen que mantenga dicha resistencia a ms altas temperaturas.Cuanto menor es el tamao del grano, mejor es la resistencia a la oxidacin. Adiciones de calcio, bario o estroncio, mejoran la resistencia (45% de cerio, 30% de lantano, 20% de didimio y 5% de iterbio) aumentan tambin la resistencia de los aceros refractarios.Por el contrario, el carbono, nitrgeno y oxgeno disminuyen la resistencia a la oxidacin.Cantidades de boro de 0.0004% disminuyen sensiblemente la resistencia al escorificar la pelcula de xido.Por el tipo de aplicacin del presente proyecto, el acero a utilizar por sus caractersticas y propiedades para el diseo del serpentn del intercambiador es el siguiente:

3.7.5.1 X 12 Cr Mo 5 (ACERO REFRACTARIO MARTENSTICO) (correspondencia con AISI-502)

Composicin qumica (%)CSi Mn P S Cr Mo 0.15 1.00 1.00 0.04 0.03 5.00 0.55

Este acero es resistente frente a la corrosin de compuestos sulfurosos y a la oxidacin de los gases de combustin. Tiene buenas propiedades mecnicas a temperaturas moderadamente altas y es ferromagntico (le atrae el imn).Tiene gran aplicacin en la industria petro-qumica, en calderas, plantas de generacin, intercambiadores de calor, etc.La soldadura de este acero no presenta dificultades pero se recomienda un precalentamiento a unos 450 grados centgrados.Este acero tambin es utilizado para la fabricacin de tubos doblados en U, tubos extrudos en caliente , tubos extrudos en fro.

Tratamientos trmicos:La mnima dureza se consigue recociendo entre 850 y 925 C y enfriando lentamente en el horno hasta 600 C. Despus de este recocido puede darse otro tratamiento entre 700 y 740 C, con enfriamiento en aire, para conseguir una dureza ms adecuada para la mecanizacin.Temple: de 900 a 950 C con enfriamiento en aire o aceite.Revenido: inferior a 750 C, dependiendo de las caractersticas mecnicas que se pretendan obtener.

Propiedades mecnicas:Resistencia a la traccin: 595 MPaLmite elstico: 315 MPaAlargamiento: hasta 28%[footnoteRef:19] [19: Zabala, Adrin I., Aceros Inoxidables y Aceros Resistentes al Calor (Mxico D.F.: Editorial Limusa, S.A., 1981)]

3.8 CARACTERSTICAS DE LA SOLDADURA DEL SERPENTN

El electrodo a utilizar para soldar el serpentn tiene que adecuarse a las caractersticas del material del intercambiador, tales como, resistencia a la traccin y el lmite de elasticidad.El electrodo que se emplea es el UTP 62 de Boehler Thyssen, el cual se recomienda para uniones y revestimientos en la construccin de mquinas, calderas, aparatos y aceros fundidos de calidades comunes, as como aceros estructurales de grano fino con resistencia a la traccin de 450 hasta 700 Mpa y aceros resistentes al calor hasta 500 C.

Propiedades mecnicas del electrodo:Resistencia a la traccin: hasta 650 MPaLmite de elasticidad: hasta 490 MPaAlargamiento: hasta 33%

Composicin del depsito:C, Si, Mn, Mo

Tratamiento trmico:En paredes con ms de 10 mm de espesor se recomienda precalentar a 200 - 250 C. El recocido para atenuar tensiones internas, se efecta a 600 650 C.Se deben de utilizar solamente electrodos secos. Electrodos hmedos se debern secar durante 2 3 horas a 250 - 300 C.

3.9 PRINCIPALES TIPOS DE MOTORESA continuacin se describen los diferentes motores y sus caractersticas, los cuales son los ms utilizados en la industria nacional:

3.9.1 MOTORES DE COMBUSTIN INTERNA

Los motores de combustin interna se dividen en dos grandes grupos, (i) encendidos por chispa (ciclo Otto) y (ii) encendidos por compresin (ciclo Diesel). Las diferencias fundamentales se encuentran en los mtodos que se siguen para mezclar el aire y el combustible (antes de la compresin en el ciclo de Otto, y usualmente cerca del final de la compresin en el ciclo Diesel) y en los mtodos para iniciar el encendido.El estudio se centra en el segundo grupo, en ste se comprime la mezcla aire-combustible en una cmara, mediante un pistn. Al ser comprimida la mezcla, sta alcanza cierta temperatura y presin, que provoca que la mezcla combustione paulatinamente, dicha combustin empuja el pistn hacia abajo, el cual al mismo tiempo impulsa el cigeal. El cigeal del motor de combustin interna que se menciona en esta investigacin est acoplado el eje de un generador elctrico. La eficiencia de los motores de combustin interna depende, entre otras cosas, de la relacin de compresin, la cantidad de aire admitido a la cmara de combustin y la calidad del combustible. Cuando se utiliza un turbocompresor para comprimir el aire de admisin se aumenta la eficiencia del motor, pues se aumenta considerablemente la cantidad de molculas de aire admitidas a la cmara; por lo tanto se optimiza la mezcla aire-combustible y se mejora la combustin.En los motores de combustin interna del tipo de pistn, el proceso se puede efectuar a volumen constante, a presin constante o bien, en alguna combinacin de stos. El proceso a volumen constante es caracterstico del encendido por chispa o ciclo de Otto, y el proceso a presin constante solamente se encuentra en el encendido por compresin de baja velocidad o ciclo Diesel. Cuando se combinan ambos procesos, el ciclo se conoce como mixto, de combinacin o de presin limitada. La relacin de compresin nominal se obtiene dividiendo la suma del desplazamiento ms el espacio muerto entre el volumen del espacio muerto. La relacin de compresin real es bastante menor que su valor nominal, debido al retraso en el cierre de la vlvula o lumbrera de admisin.La relacin de compresin puede calcularse con la siguiente ecuacin, p=rapm, en donde pm, es la presin en el manifold de admisin y ra, es la relacin de compresin real. La presin de compresin real se determina con un manmetro para la presin, que funciona al atrapar los gases en una vlvula de retencin, la cual indica la presin mxima en condiciones de trabajo.En los motores de encendido por compresin, se emplean combustibles lquidos de baja volatilidad que varan desde los aceites combustibles y destilados, hasta petrleo crudo, las relaciones de compresin se encuentran entre 11.5:1 y 22:1 y las presiones de compresin entre 2,760 y 4,830 kPa, y trabajan en el ciclo Diesel o el combinado. En general no requieren dispositivos de encendido, an cuando en algunos motores de cmaras mltiples y relaciones de compresin muy bajas, pueden requerirse. La velocidad y la carga se controlan variando la cantidad de inyeccin de combustible.El motor de cuatro tiempos requiere cuatro carreras del pistn o dos revoluciones del cigeal por cada ciclo. Este tipo de ciclo se emplea en forma casi exclusiva en motores de automviles, tractores, aviones y tambin en el caso a investigar, que se trata de un motor estacionario. El motor en el cual se enfocar el estudio es un motor de cuatro tiempos de simple efecto. Esto significa que la combustin se produce slo en un lado del pistn. [footnoteRef:20] [20: Heywood, John B., Internal Combustion Engines Fundamentals (Singapore: McGraw-Hill, 1988)]

3.9.2 MOTORES ESTACIONARIOSLas ventajas de estos motores son: Mayor diversidad en la velocidad y la carga Pistones ms fros Crter comn en los motores de varios cilindros, es ms fcil asegurar una buena lubricacin No hay prdida de combustible en el escape Ms bajo consumo especfico de combustible Menos prdidas por bombeo Menor dilucin en el escape Ms bajas emisiones de hidrocarburos Desplazamiento positivo en los procesos de admisin y escape Mejor regulacin de la potencia Los motores estacionarios se fabrican tanto con el ciclo Diesel como con el de Otto, funcionan con combustibles lquidos o gaseosos y se usan de dos o cuatro tiempos. El alcance ms alto de la potencia de salida se encuentra alrededor de los 48,000 bhp por motor. El vstago del mbolo permite que el crter pueda aislarse de los gases provenientes del soplado y tambin que la cara inferior del mbolo trabaje como una bomba de aire. En la actualidad todos los motores son de simple accin (la combustin se produce slo en un lado del pistn). Los cilindros de grandes dimensiones se construyen con varias partes, se emplean cilindros con forros interiores y los mbolos muy largos de los motores diesel para simple accin se fabrican regularmente con cinco anillos. Es frecuente que las vlvulas sean muy pesadas y en las ms grandes es necesario el enfriamiento; y tambin en algunos casos se enfran con agua los tubos del escape y los mbolos para motores, que tienen alojamientos muy grandes, se enfran siempre con lquidos, que pueden ser aceite o agua. En general, en los motores estacionarios existe mucho menos construccin integral que la que tienen los motores para automviles.[footnoteRef:21] [21: Heywood, John B., Internal Combustion Engines Fundamentals (Singapore: McGraw-Hill, 1988)]

3.9.3 MOTORES MARINOSLos motores marinos pueden ser del ciclo de Otto o Diesel y pueden ser de aspiracin normal o sobrecargados como lo es en el caso del motor en que se basa esta investigacin. Los motores marinos en la actualidad tambin estn siendo usados como motores estacionarios para la generacin de energa. El intervalo de potencia para los motores fuera de borda vara desde menos de uno a ms de 150 bhp y, por lo general, son del tipo de gasolina de dos tiempos. En los grandes botes, tambin se emplean los motores de gasolina para automviles modificados. El intervalo de potencia en los motores diesel vara desde de menos de 50 hasta 20,000 bhp que pueden ser de dos o cuatro tiempos y regularmente trabajan con aceite pesado o diesel. En el trabajo requerido para los motores marinos pueden emplearse indistintamente los de tipo automotriz y los de tipo estacionario, con lo cual se obtiene amplias variaciones en los pesos especficos. Al establecer una comparacin de un nmero de curvas de consumo de combustible para motores de diversos tipos, se encuentra que los grandes motores marinos de ciclo diesel tienen el ms bajo consumo especfico de combustible.Los motores de cuatro tiempos encendidos por compresin se construyen con vlvulas en la culata; se combinan con dos tipos de arreglo de cmara de combustin: 1) cmara simple, en esta clasificacin se considera si es del tipo abierto o de inyeccin directa, y 2) cmara doble, para lo que se toma en cuenta si se refiere al tipo de precmara o al de dos cmaras divididas.La investigacin se enfocar en el tipo de cmaras de combustin abiertas (inyeccin directa), pues este es el tipo de cmara que posee el motor en el cual se centra el estudio. Por lo general se emplea una tobera de mltiples orificios para inyectar el combustible a presiones elevadas en forma directa dentro del espacio muerto de la cmara, entre el mbolo y la cabeza del cilindro. En general la cabeza del mbolo est conformada para ajustarse al chorro de combustible pulverizado y un remolino introduce el aire no mezclado en su interior. La existencia del remolino se asegura en el diseo de la lumbrera de admisin, cubriendo la vlvula de admisin. La alta turbulencia se logra aproximando el mbolo hasta casi cerrarse con la parte de la cabeza del cilindro. Con sto se obliga a los gases a salir de los pequeos espacios muertos y agitar la mezcla.

3.9.4 MOTORES Krupp MaK Vale la pena mencionar este tipo de motores, pues es el tipo y marca de motores sobre el cual se basarn los clculos para el proyecto, por lo tanto se har una explicacin general de los principales aspectos y sistemas que componen dicho motor.Estos motores de combustin interna estn disponibles para aplicaciones marinas y estacionarios, tales como: ferries, barcos de pasajeros, rompe hielos, yates, barcos patrullas, barcos de rescate, barcos de la marina y como estacionarios para la generacin de energa elctrica como lo es el caso de la planta que versar la investigacin.Los motores estn equipados con gobernadores mecnico-hidrulicos y elctricos. El gobernador mecnico trabaja por medio de un sistema hidrulico de aceite que ajusta la velocidad del motor a un valor constante, sto lo hace mediante unos sensores de velocidad, independientemente de la carga. El gobernador elctrico manda constantemente una seal al gobernador mecnico para que ste regule la cremallera que controla la inyeccin de combustible, dependiendo de la carga que se est aplicando en ese preciso momento.La disminucin de velocidad ocurre con incrementos de carga, pero esta disminucin es corregida de inmediato por los gobernadores.

3.9.4.1 SISTEMA DE COMBUSTIBLEEl combustible que se emplea para la operacin del motor tiene que ser purificado antes de ser inyectado en la cmara de combustin. El separador o centrfuga se encarga de esta tarea, el cual elimina el agua y slidos contenidos en el combustible. El combustible separado (limpio) es acumulado en el tanque de servicio diario y de ste es llevado al motor, pasando antes por una serie de filtros.Antes de que el combustible entre al motor pasa por un controlador de viscosidad para asegurar que la viscosidad y temperatura de ste sean las apropiadas para la posterior inyeccin (entre 140 - 150C). 3.9.4.2 SISTEMA DE LUBRICACINEl aceite lubricante para este tipo de motores es altamente alcalino, pues el combustible que se utiliza tiene un alto contenido de azufre, arriba de 2%, lo cual hace que en la combustin se formen reacciones qumicas muy cidas, entonces un nmero bsico alto neutraliza estas reacciones y evita la corrosin.Al igual que en el sistema de combustible se utilizan centrfugas para eliminar el agua, las impurezas y los slidos contenidos en el aceite. El sistema cuenta con un tanque de circulacin de aceite que funciona como un crter de un motor convencional, slo que ste se encuentra externo al motor. Este sistema posee un radiador que se encarga de mantener la temperatura del aceite entre 50 - 60 grados centgrados (temperatura de operacin).

3.9.4.3 SISTEMA DE ENFRIAMIENTOGeneralmente se utilizan radiadores para el enfriamiento del agua del motor, pero tambin se pueden utilizar torres de enfriamiento.El sistema de agua de enfriamiento incluye un circuito de baja y otro de alta temperatura. El circuito de alta temperatura es el que pasa y enfra entre otros: el block del motor, las camisas, el turbocargador y el segundo paso del intercooler. El sistema de enfriamiento de baja temperatura sirve para enfriar el radiador de aceite y el aire de admisin al motor (primer paso del intercooler).Toda el agua que es utilizada en los sistemas de enfriamiento es suavizada previamente y tratada con un qumico para prevenir la corrosin.

3.9.4.4 SISTEMA DE AIREEl sistema de aire es utilizado para arrancar el motor. El aire de arranque es almacenado en botellas a un max. de 30 bar. Cuando se arranca el motor, un distribuidor de aire es el que se encarga de suministrar en tiempo el aire de arranque a los diferentes cilindros.

3.9.4.5 GENERACINEl generador est acoplado al motor por medio de una junta de caucho que contrarresta las fluctuaciones de torque que son ocasionadas con los cambios de carga de la mquina. El generador tiene una capacidad de 6,400 kVA y genera a una tensin de 13.8 kV. El voltaje suministrado por los generadores es transformado de 13.8 a 69 kV. Todo el sistema de generacin posee dispositivos que protegen a las mquinas sobre cualquier falla o fluctuaciones que haya en las lneas de transmisin. Dependiendo del tipo de falla, estas protecciones pueden disparar los motores para su proteccin y en caso de no ser grave, disparan el interruptor principal y los motores se quedan suministrando la carga necesaria para la operacin de la fbrica textil.

3.10 PLANTEAMIENTO DEL PROBLEMALas calderas son dispositivos para generar vapor, los cuales se utiliza en todo tipo de procesos, que van desde el calentamiento del agua hasta procesos tales como el movimiento de turbinas para la generacin de energa.La eficiencia de los intercambiadores de calor depende sobre todo de los materiales utilizados para su construccin y del diseo.En la caldera de calor de desperdicio o intercambiador que se disear, los gases de escape pasarn por fuera de los tubos que contienen el agua que circula dentro del intercambiador, que despus de la transferencia de calor pasar a ser vapor saturado. Por sus caractersticas antes mencionadas esta caldera de recuperacin es del tipo acuotubular. Se utiliza este tipo, pues por las caractersticas del sistema de escape del motor, es el que mejor se adapta para el aprovechamiento de los gases de escape.Por el tipo y concepto de caldera que se disea, se le conoce como "Caldera de Calor de Desperdicio", porque su fin es utilizar y aprovechar una fuente de energa que se desecha o desperdicia para la produccin de una fuente energtica (en este caso vapor), la cual puede ser usada par diversos fines, tanto para la planta de generacin (precalentamiento de las lneas de combustible y aceite, entre otros) como para los diversos procesos de la planta textil que requieran vapor.Debido a que unos de los principales factores que determinan la eficiencia de un intercambiador de calor, son su diseo en general y el propsito de este proyecto es la utilizacin de una fuente de energa alternativa, el problema a investigar ser, Qu caractersticas debe tener el intercambiador de calor para optimizar el aprovechamiento de la energa proveniente de los gases de escape de un motor diesel de combustin interna, para generar energa en forma de vapor ?

4. OBJETIVOS

4.1 GENERAL:Disear un intercambiador de calor para el aprovechamiento de la energa calorfica de los gases de escape producidos por el proceso de combustin de un motor diesel, mediante la utilizacin de la energa de dichos gases, para producir energa en forma de vapor, como resultado del intercambio de calor entre el sistema acoplado y los gases de escape.

4.2 ESPECFICOS: Determinar una fuente de energa secundaria o renovable que traer beneficios importantes para el medio ambiente, al reducir las emisiones contaminantes de los gases de combustin (CO2, SO2 y NOx) al reemplazar las calderas convencionales por las de recuperacin y as, tambin poder cumplir con todos los requerimientos y normas ambientales que cada da son ms exigentes. Aprovechar una fuente de energa que se desperdicia para incrementar las utilidades al implementar y utilizar recursos que no estn siendo utilizados, como lo es en este caso, la energa suministrada por los gases de escape, que trae como resultado un uso mucho ms eficiente de los suministros de energa. Sustituir los combustibles tradicionales por el aprovechamiento del calor residual de los gases de combustin y por lo tanto crear un ahorro en el transporte de los mismos, a la vez que se aumenta el grado de autoabastecimiento y se reduce la dependencia del petrleo y as preparar a las industrias para pocas de escasez energtica. Crear un rendimiento energtico global ms elevado, reducindose el consumo total y por ende la factura energtica, sin alterar los procesos productivos o calidad de los servicios, al implementar esta alternativa como mtodo de conservacin de energa para la industria. Aprovechar el combustible al mximo, lo que significa que los costos del mismo son claramente inferiores, lo cual radica fundamentalmente de la recuperacin del calor de los gases de combustin.

5. ALCANCES Y LIMITACIONESEl presente trabajo trata del diseo de un intercambiador de calor para la cogeneracin de vapor y aunque bien puede lograrse la trigeneracin (produccin de energa elctrica, calor y fro), la investigacin se centra en el uso de los gases de desperdicio de un motor estacionario de combustin interna, con el objeto de utilizar dichos gases para la produccin de vapor, el cual se utiliza tanto en las distintas operaciones relacionadas con la industria textil como para los sistemas de la planta de generacin que requieran vapor, tales como: precalentamiento de las lneas de combustible, precalentamiento de las centrfugas de combustible y aceite y precalentamiento de los tanques de bnker. Se tiene la limitante de ser un proyecto descriptivo, por ende no es posible la comprobacin fsica de los resultados, debido a esta limitante se sugiere la construccin de un modelo escala piloto antes de la implementacin del proyecto. Principalmente por necesitarse de una inversin de capital alta y de otros factores como falta de espacio fsico e inversin en equipo auxiliar para su implementacin.

6. APORTE DE LA INVESTIGACIN A GUATEMALAPara Guatemala, el desarrollo y documentacin de un tema que posee muy poca informacin como ste, ayudar a futuras investigaciones para el perfeccionamiento de procesos similares. Incentivar para que se desarrollen proyectos de este tipo, ya que ste tema de recuperacin de energa o cogeneracin es muy amplio y existen infinidad de fuentes de energa utilizables que se pueden aprovechar en un sin fin de formas.Debido a la creciente alza en los precios del combustible y a la contaminacin que stos producen, conviene seguir desarrollando y utilizando fuentes de energa alternativa o secundaria, para as beneficiar a la industria guatemalteca y tambin al medio ambiente que cada da est ms deteriorado.Creando una fuente de energa alternativa, se puede llegar a crear un buen recurso de energa reutilizable y, en muchos casos sin o con muy bajo costo, que con la creciente necesidad de nuestro medio de aprovechar todas las fuentes de energa posibles pasar a ser un factor determinante para las industrias nacionales. Se minimizarn los costos energticos y por lo tanto de produccin, lo cual traer como consecuencia que las empresas sean ms flexibles y competitivas para enfrentar todas las demandas de los consumidores, que cada vez son ms exigentes Tambin se generarn mejores utilidades para que las distintas compaas guatemaltecas estn al nivel o mejor que la competencia extranjera, la cual se ir incrementando con las modificaciones de la ley de Inversin Extranjera.

7. INSTRUMENTOS:Entrevistas a tcnicos, consulta a bibliografa y pginas de Internetconcerniente a los temas de:

Diseo de calderas Intercambio de calor Especificaciones de materiales (metales y aleaciones para la fabricacin de intercambiadores de calor y calderas) Bombas centrfugas de alta temperatura para circulacin del agua de caldera Manuales del motor de combustin interna para determinar caractersticas de los gases de escape. Diseo de intercambiadores de calor.

1Motor MaK2Caldera de Recuperacin3Bombas de Circulacin4Tanque de Vapor5Bombas de Alimentacin6Tanque de Alimentacin7Suavizadores8Distribuidor de Vapor

Figura 1: Sistema de Cogeneracin

8. PROCEDIMIENTO:Consultando los manuales del fabricante del motor, se obtiene el caudal y temperatura de los gases de escape a 100 % de carga. Se tom como base un 100 % de carga, pues es cuando el motor genera la mayor cantidad de gases de combustin. Al 100 % de carga se generar la mayor cantidad de vapor ya que es cuando se tiene el mayor diferencial de temperatura entre el agua del intercambiador y los gases de escape.Con los datos anteriores, se calcul el rea de transferencia de calor del serpentn del intercambiador. Se dise el rea de transferencia de tal forma que se aproveche eficientemente la energa de los gases, tomando en cuenta que la recuperacin de calor se torna costosa despus de que los gases han descendido a 210 C. En este punto hay un grado de conductibilidad de recuperacin tan bajo que es ms ventajoso desperdiciar este calor que tratar de recuperarlo. Considerando la temperatura a la cual la transferencia de calor sea eficiente, se tom este punto como lmite para el dimensionamiento del intercambiador, ya que cualquier parmetro que exceda este lmite resultar en un costo adicional que no generar ningn beneficio.Teniendo el rea de transferencia de calor se dimension el dimetro del serpentn y se determin el tipo de tubera para su construccin.El siguiente paso consisti en el dimensionamiento del tanque de alimentacin de agua y tanque de vapor. Para este dimensionamiento se consider una capacidad que garantiza que la operacin del sistema durante media hora. Este lapso de tiempo es un tiempo prudente para evitar que el sistema opere sin fluido y para evitar que el trabajo se recargue en una sola bomba. Con los requerimientos de agua de la planta de vapor se calcul los suavizadores necesarios para el tratamiento del agua de alimentacin. Por ltimo, se determinaron las bombas de circulacin de agua de la caldera y las bombas de alimentacin de acuerdo a la capacidad necesaria del sistema.

9. CLCULOS

Se tom como base y parmetro de referencia para los clculos, un motor diesel, el cual cuenta con ocho cilindros en lnea y tiene una potencia mecnica de 8,200 caballos de fuerza y es operado con aceite pesado (bnker) o diesel. El motor se emplea para impulsar un generador elctrico de 6,400 kVA, que genera una potencia elctrica de 5,072 kW a 100% de carga.Los gases de escape salen de la cmara de combustin a una temperatura de aproximadamente 430 C. Estos gases impulsan la turbina del turbocargador, la cual a su vez, impulsa el compresor que comprime los gases de admisin para obtener una mayor eficiencia en la combustin. Despus de que los gases de escape han pasado por el turbocargador, los silenciadores y la tubera de escape, salen al ambiente a una temperatura de 340 C.

9.1 CLCULO DEL REA DE TRANSFERENCIA DE CALOR DEL INTERCAMBIADOR

Para realizar los clculos del serpentn se supusieron los gases de escape como aire normal, ya que el fluido de trabajo en los motores trmicos es de manera usual una mezcla de aire y combustible, pero puesto que la cantidad de aire en la mezcla para la mayora de los motores trmicos es relativamente alta, la presencia de una pequea cantidad de combustible en el aire no altera de manera significativa las propiedades de la mezcla de las propiedades de aire puro.

m - Gasto msico del agua y gases, kg/hraTi-gases - Temperatura de gases en la entrada del intercambiadorTe-gases - Temperatura de gases en la salida del intercambiadorh1- Entalpa del fluido a la entrada del serpentn, kJ/kgh2 - Entalpa del fluido a la salida del serpentn, kJ/kgQgases - Energa transmitida por los gases de escape-Qagua- Energa absorbida por el agua he-gases - Entalpa de los gases a la salida del intercambiadorhi-gases - Entalpa de los gases a la entrada del intercambiadorhe-agua - Entalpa del agua vapor a la salida del intercambiadorhi-agua - Entalpa del agua a la entrada del intercambiadorU coeficiente global de transferencia de calor, BTU/h-pie2 -F Q velocidad de transferencia de calor (energa calorfica transmitida al intercambiador), BTU/hA rea de la superficie a travs de la cual pasa el calor, pie2 DT diferencia de temperatura entre los gases de escape y el agua de alimentacin, FR = Radio de la tubera del intercambiador, se supone un radio de 2 pulg con 3/8 de paredL = Largo de la tubera del intercambiadorA = rea de la superficie a travs de la cual se hace la transferencia de calor

Ti-gases = 340C = 644.0 F = 613.15 K; h1 = 620.85 kJ/kgTe-gases = 210C = 410.0 F = 483.15 K; h2 = 485.71 kJ/kgmgases = 37,700 kg/h

Qgases = - QaguaQgases = [m(h2 h1 )]gases = 37,700 kg/h x (h2 h1 ) = 37,700 kg/h x [(485.71 620.85)] kJ/kg = 37,700 kg/h x [-135.14] kJ/kg = -5,094,778.00 kJ/h = -4,828,917.81 Btu/h

Q = U x A x DT 4,828,917.81 Btu/h = (6.02 Btu/h-pie2 -F)[footnoteRef:22] x A x 324F [22: Zabala, Adrin I., Aceros Inoxidables y Aceros Resistentes al Calor (Mxico D.F.: Editorial Limusa, S.A., 1981)]

A = 2,475.76 pie2

Con el rea de transferencia de calor y el radio de la tubera, se determina la longitud del serpentn:A = 2R x L

.2,476 pie2 = 2 x 0.1146 pie x LL = 3,438.64 pie 3,439 pie

El serpentn tiene un largo total, distribuido entre las cuatro secciones del intercambiador de 3,439 pies con una tubera de 2 pulgadas. Cada seccin consta de 3 serpentines, lo cual da un total de 12 serpentines distribuidos en todo el intercambiador.Para el diseo del tiro del intercambiador se tom como referencia las calderas de recuperacin que operan actualmente en la planta de generacin de Cementos Progreso, sto se realiz con el propsito de garantizar una distribucin uniforme de los gases a travs del serpentn y para evitar el bloqueo de los mismos.

9.2 CLCULO DEL GASTO MSICO DE AGUA DEL INTERCAMBIADOR

El gasto msico de los gases de escape es = 37,700 kg/h ; (10.47 kg/s)La temperatura a la cual entran los gases al intercambiador = 340 CSe toma un (delta) de 130 C entre la temperatura de entrada y salida de los gases en el intercambiador, para un eficiente aprovechamiento del rea de transferencia de calor.Cuando el sistema est en operacin normal, el agua entra saturada al serpentn a aproximadamente 170C y a una presin de 10 bar, ya que tanto este fluido como el vapor estn en contacto directo en el tanque de vapor. El vapor sale saturado del sistema a una temperatura de 180 C y a una presin de 10 bar.Se calcula el gasto msico del agua, para poder dimensionar las bombas de alimentacin y circulacin del intercambiador.

Clculo:

(mi)agua = (me)vaporQagua = [(mehe mihi )]agua

(mi)gases = (me)gasesQgases = [(mehe mihi )]gases

Qgases = - Qagua [(mehe mihi )]gases = [(mehe mihi )]agua [m (he hi)]gases = [m (he hi)]agua

Los valores de las entalpas se sacan de las tablas de vapor respectivamente:

he-gases = 485.71 kJ/kg; T = 340 Chi-gases = 620.85 kJ/kg;T = 210 C he-agua = 2,778.2 kJ/kg;T = 180 C y P = 10 barhi-agua 719.21 kJ/kg;T = 170 C y P = 10 bar

Sustituyendo los valores en la frmula:

-[m (he hi)]gases = [m (he hi)]agua-[(10.47 kg/s)(485.71 620.85) kJ/kg ]gases = [m (2,778.20 719.21) kJ/kg ]agua1,414.92 kJ/s = (m)2,058.99 kJ/kgm = 0.687 kg/sm = 2,473.88 kg/hm = 2.47 m3/hm = 652.51 gal/hm 2470 lts/h

Por lo tanto, el gasto msico del agua es de 652 gal/h, para obtener un (delta) de cada de temperatura de los gases de escape de 130 C.Con los resultados anteriores se pueden dimensionar las bombas y tanques necesarios en el sistema.La bomba que se utiliza para circulacin de agua en la caldera tiene que ser como mnimo capaz de bombear 652 gal/h (galones de agua por hora) a una temperatura de por lo menos 170 grados Celsius y 10 bares de presin.La bomba que se utiliza para la alimentacin del tanque de vapor, tiene que ser capaz de mantener ste a aproximadamente la mitad de su capacidad, para garantizar que la bomba de circulacin tenga suficiente agua para succionar y recircular a travs del serpentn del intercambiador. Para garantizar que el tanque de vapor no se rebalse de agua y que la bomba de circulacin no trabaje en seco, este tanque cuenta con sensores de nivel, tanto para bajo como para alto nivel. Este tanque tambin cuenta con vlvulas de seguridad para protegerlo de cualquier sobre presin.El tanque de vapor, al igual que el tanque de alimentacin, tiene una capacidad de 2,500 litros, con esta capacidad en los tanques, se garantiza que el sistema tenga fluido para operar por espacio de media hora El tanque de vapor en operacin normal se encuentra lleno de agua y vapor, ya que el vapor producido por el intercambiador es descargado al tanque de vapor. La bomba de alimentacin es la que se encarga de mantener un nivel adecuado (aprox. la mitad) de agua en el tanque de vapor, para evitar que la bomba de circulacin succione en vaco..El agua de alimentacin, que se encuentra aproximadamente a 90 grados centgrados es introducida en el tanque de vapor a una presin de aproximadamente 10 bares. El tanque de alimentacin tambin posee sensores de nivel y temperatura, los primeros para garantizar que el tanque siempre posea agua y tambin para que no se rebalse y los segundos para mantener el agua de alimentacin alrededor de los 90 grados centgrados, con esta temperatura del agua de alimentacin se previene un choque trmico dentro del tanque de vapor. En este tanque, el vapor y el agua se mezclan, ya que existe un contacto directo entre los fluidos. La presin de las corrientes lquida y vapor son iguales. La energa transferida desde el vapor extrado desde el intercambiador y el agua de alimentacin es igual a la cantidad de energa agregada al agua lquida. Esto se hace con el fin de que, al abandonar el tanque de vapor, el agua sea un lquido saturado, a una temperatura de aproximadamente 170 grados centgrados, que esta un poco debajo de la temperatura de saturacin de agua lquida a 10 bares. Con esta medida, se logra una mayor eficiencia en el sistema, ya que con un mnimo aumento en la temperatura del agua, se comienza a obtener la evaporizacin del fluido.Los suavizadores o planta de tratamiento de agua tiene una capacidad de 3 metros cbicos por hora (aprox. 800gal/h). De esta forma se garantiza que el sistema tenga suficiente abastecimiento de agua para operar, incluso en el caso de que no se recuperen los condensados.

9.3 CLCULO DEL AISLANTE DEL INTERCAMBIADORSe utiliza un aislante de fibra de vidrio, cuya trmica es k = 0.24 BTU/h-ft2-F[footnoteRef:23] por pulgada de espesor. Se toman 4 pulgadas de espesor de fibra de vidrio para el aislamiento del intercambiador. [23: Pita, Edward G., Acondicionamiento de Aire: Principios y Sistemas (Mxico D.F.: Compaa Editorial Continental, 1994)]

C conductancia, BTU/hr-ft2-F k conductividad, BTU/h-ft2-F por pulgada de espesorL - espesor del materialR = resistencia trmica del material, h-ft2-F/BTU

C = k/LAl sustituir la conductividad y el espesor (4 pulgadas) del aislamiento en la ecuacin anterior, se obtiene la conductancia:

C = 0.24 / 4C = 0.06 BTU/h-ft2-F

R = 1/CAl sustituir la conductancia en la ecuacin anterior se obtiene la resistencia trmica de la fibra de vidrio:R = 1 / 0.06R = 16.7 h-ft2-F/BTU

Para calcular la prdida de calor a travs del aislante se utiliza la siguiente ecuacin:Q = 1/R x A x DT donde Q velocidad de transferencia de calor BTU/hA rea de la superficie a travs de la cual fluye el calor, ft2 DT diferencia de temperatura por la que fluye el calor, desde la temperatura ms alta hasta la temperatura ms baja, en este caso, el ambiente y los gases de combustin, ambas en F.

El rea a travs de la cual fluye el calor es toda la parte exterior de las cuatro secciones del intercambiador:A = 2r x l donde r el radio del intercambiador, ftl el largo de las 4 secciones, ftA = 2 x 4.265 x 9.81A = 262.886 ft2La diferencia de temperatura entre los gases de combustin y el medio ambiente es de:Temperatura de los gases = 644 FTemperatura del ambiente = 86 FDT = 644 86 = 558 F

Sustituyendo estos datos en la siguiente ecuacin de prdida de calor:Q = 1/R x A x DTQ = 1/16.7 x 262.886 x 558Q = 8,783.56 BTU/hr

Esta velocidad de transferencia de calor es menos del 1% de la velocidad a la que se le entrega la energa calorfica al agua de alimentacin del serpentn, que es de 4,828,918 BTU/hr, por lo tanto son aceptables las 4 pulgadas de fibra de vidrio para el aislamiento del intercambiador.

9.4 CLCULO DE LA SOLDADURA DEL SERPENTNLas soldaduras deben tener un tamao mnimo, basado en el espesor del metal base. Esto se hace para asegurar un calentamiento y enfriamiento adecuados del rea de soldadura, de manera que la soldadura y el metal base no se cristalicen y tiendan a agrietarse o reventarse debido a la insuficiente fusin de la soldadura con el metal base.Para un metal base de espesor de 3/8 de pulgada, que es el espesor del tubo del serpentn, se emplea una dimensin mnima del filete de la soldadura de 3/16 de pulgada y una dimensin mxima de 5/16, segn el cdigo AISC.La resistencia de la soldadura por las caractersticas del electrodo y el metal base son las siguientes:

P = SyptL / N donde P resistencia de la junta, lb/plgSyp resistencia mnima de cedencia, lb/plg2t espesor del metal base, plg L longitud de la soldaduraN factor de seguridad

P = SyptL / N = (95,000 x 3/8 x 8.64) / 2P = 153,900.00 lbEl material base tiene una resistencia de 86,300 lb/plg2. Tomando la dimensin mnima de la soldadura que es de 3/16 de pulgada, sto da como resultado una fuerza en esta rea del material base de 139,000 lbs. Dicho resultado se aproxima a las 153,900 lbs de la resistencia de la soldadura, por lo tanto se concluye que la soldadura cumple con los requerimientos del metal base.

9.5 CLCULO DE LA BASE DEL INTERCAMBIADORLa densidad del acero = 3.65 lbs/pieEl peso total de la tubera del serpentn = 6.36 TonEl peso del agua en los serpentines = 28.47 TonSe toma un peso total de 36 toneladas para el clculo de la base de la caldera.El peso total se distribuye en 3 patas, por lo tanto el peso que acta en cada pata es de 12 toneladas. Para determinar el tipo y dimensin de patas para la base de caldera se utiliza la siguiente ecuacin:120 Kl / r[footnoteRef:24] donde k - constante segn tipo de apoyo [24: American Institute of Steel Construction, Manual of Steel Construction (USA, 1980)]

l - el largo de la pata en, plg r - radio de giro, plgSustituyendo los valores en la ecuacin anterior y despejando el radio de giro se tiene:r = (0.9) (50.39) / 120 r = 0.38

Al buscar en la tabla[footnoteRef:25] de columnas W para un radio de giro de 0.38, se obtiene una columna W4 X 13, la cual tiene la siguientes especificaciones: [25: Tabla I de los Anexos]

rea = 3.83 plg2 r = 1.72 plg

Para verificar si la columna soporta la carga, se determina la fuerza actuante en cada pata:Peso / rea de la columna 24,000 lbs / 3.83 plg2 = 6.27 ksiEste valor tiene que ser menor que el Fa de la tabla correspondiente al kl/r = 0.9*50.39/1.72 = 26.37.De la tabla[footnoteRef:26], el Fa = 20.15 ksi para un kl/r = 26.37 27, el cual es mayor que 6.27 ksi, por lo tanto se concluye que la columna W4 X 13 cumple con todas los requerimientos y se utiliza para fabricar las 3 patas de la base del intercambiador. [26: Tabla II de los Anexos27 Tabla III de los Anexos]

Para determinar el grosor de la lmina de la base se utiliza una relacin para elementos a compresin:b/tdonde b ancho por unidad de longitud t espesor de la lmina253/Fy[footnoteRef:27]donde Fy esfuerzo permisible del acero A-36 [27: ]

Sustituyendo los valores en las relaciones anteriores:253/ Fy = 253/36 = 42.17b/t = 42.17t = 12/42.17t 8 mmEl espesor de la lmina para la base del intercambiador es de 8 milmetros, la cual cumple con los requerimientos de pandeo local.10. IMPACTO ECONMICO DEL PROYECTOPara cumplir con los requerimientos de vapor de la planta de generacin, se necesitan dos calderas de 150 caballos operando a aproximadamente 80 % de su capacidad, lo cual trae una serie de gastos, principalmente el consumo de combustible, que se resume de la siguiente forma:

1 Gl de Bnker---------------------------- son 150,000 BTU (British Term Unit)1 Lb de Vapor---------------------------- son 1,000 BTU1 HP de vapor---------------------------- equivale a 34,500 BTU / hr

150 HP x 34,500 BTU/hr = (5,175,000 BTU/hr) / 150,000 BTU = 34.5 Gls Bnker/hr.En 24 hrs. se tiene un consumo de (34.5 x 24 = 828 Gls.) 828 galones de Bnker originados de la operacin de una caldera de 150 caballos al 100 %.El precio del galn de bnker asciende a Q 4.00, lo cual se resume en un gasto diario de Q 3,312.00 por cada caldera de 150 caballos trabajando al 100 % de su capacidad.Como se mencion anteriormente, se necesitan dos calderas de 150 caballos a 80 % de su capacidad para suministrar vapor a la planta de generacin de energa, lo cual genera un gasto diario de aproximadamente Q 5,299.20 (una caldera de 150 caballos a 80% de su capacidad consume aprox. 662 galones de bnker, que representan Q 2,649.60 diarios).Al utilizar la energa calorfica proveniente de los gases de escape del motor diesel en una caldera de recuperacin, se tendr un ahorro diario de alrededor de 828 galones de bnker, que se resume en Q 3,312, ya que dicha caldera de recuperacin tiene una capacidad de aproximadamente150 caballos.El costo de inversin del proyecto es de aprox. $135,000 (Q1,053,000). Se ahorran Q79,488 mensuales en combustibles. Para determinar en cuanto tiempo se recupera la inversin se hace el siguiente anlisis:

F = P (1 + i)nF = A [((1 + i)n 1) / i][footnoteRef:28] [28: Blank, Leland T., et.al, Ingeniera Econmica (Colombia: McGraw-Hill, 1992)]

Donde F el valor de la inversin (el dinero) en el futuroP el valor de la inversin (el dinero) en el presentei la tasa de inters, se toma 12% anual.n el nmero de aos que se hace la inversin

Sustituyendo los datos en las ecuaciones anteriores:

F = 1,053,000 (1 + 0.01)nF = 79,488 [((1 + 0.01)n 1) / 0.01

Al igualar estas dos ecuaciones y despejando para n, se obtiene el nmero de aos en los que se recupera la inversin:

1,053,000 (1.01)n = 79,488 [((1.01)n 1) / 0.01 n = 14.285 por lo tanto la inversin se recupera en aproximadamente 14 meses.Para tomar la decisin si el proyecto se acepta, se analiza ste por medio del Valor Actual Neto, tomando una vida til de 5 aos.El ahorro mensual es de Q79,488 (equivale a Q1,008,106.80 anuales tomando el valor del dinero en el tiempo) y suponiendo un gasto de mantenimiento mensual de Q3,000 (equivale a Q38,047.51 anuales):

VAN = -1,053,000 + 1,008,106.80 / (1+0.12)1 + 1,008,106.80 / (1+0.12)2 + 1,008,106.80 / (1+0.12)3 + 1,008,106.80 / (1+0.12)4 + 1,008,106.80 / (1+0.12)5 [ 38,047.51 / (1+0.12)1 + 38,047.51 / (1+0.12)2 + 38,047.51 / (1+0.12)2 + 38,047.51 / (1+0.12)3 + 38,047.51 / (1+0.12)4 + 38,047.51 / (1+0.12)5] = 2,443,846.64

Al analizara estos flujos de efectivo (ahorro en combustibles y gastos de operacin), se tiene un VAN positivo, por lo tanto se acepta el proyecto. En otras palabras, si conviene la inversin en este proyecto de cogeneracin de vapor.

11. CONCLUSIONES Y RECOMENDACIONES Tras el aprovechamiento de los gases de escape por medio de un intercambiador de recuperacin como el diseado en el presente trabajo, se obtiene el vapor equivalente al producido por una caldera de aproximadamente 150 HP. Al sustituir la fuente de energa calorfica, en este caso una caldera de 150 HP, por una fuente de energa renovable, se reducen las emisiones contaminantes provenientes de la combustin del petrleo necesario para operar dicha caldera (CO2, SO2 y NOx), lo cual es un aspecto favorable para el medio ambiente. Con este diseo se logra aprovechar una fuente de energa (suministrada por los gases de escape) que de otra forma se desperdiciara, logrando as evitar incurrir en gastos adicionales originados por la compra de combustibles y el transporte de stos al lugar de utilizacin. Se logra aumentar el grado de autoabastecimiento de fuentes de energa y se reduce la dependencia del petrleo, permitiendo a la industria operar en condiciones normales en pocas de escasez energtica. En el caso poco probable de que el sistema de cogeneracin fallara, ste no interviene y no afecta en el proceso de generacin de energa. Se aprovecha el combustible al mximo, ya que ste se utiliza tanto para la generacin de energa elctrica como para la generacin de energa calorfica, lo que significa que el retorno sobre la inversin realizada en combustible es mayor. Cualquier industria que utilice energa calorfica (vapor) arriba de 3,500 libras de vapor por hora (100 caballos de vapor) podr implementar un proyecto de esta naturaleza. Por los ahorros de combustible, bajos costos de operacin y mantenimiento, este tipo de proyectos deben de implementarse mientras el capital y los requerimientos lo permitan.

12. BIBLIOGRAFA

SHIELD, Carl D. Calderas: Tipos, Caractersticas y sus FuncionesCompaa Editorial Continental, S.A. Mxico D.F., 1965

BLACK, William Z, HARTLEY, James G. TermodinmicaCompaa Editorial Continental, S.A. Mxico D.F., 1965

BOWLES, Joseph E. Diseo de Acero EstructuralEditorial Limusa, S.A. Mxico D.F., 1984

ZABALA, Adrin I. Aceros Inoxidables y Aceros Resistentes al CalorEditorial Limusa, S.A. Mxico D.F., 1981

PITA, Edward G. Acondicionamiento de Aire: Principios y SistemasCompaa Editorial Continental, S.A. Mxico D.F., 1994

DEUTSCHMAN, Aaron D., et.al Diseo de Mquinas: Teora y PrcticaCompaa Editorial Continental, S.A. Mxico D.F., 1985

BLANK, Leland T., et.al Ingeniera EconmicaEditorial McGRAW-HILL, Colombia, 1992

HEYWOOD, John B. Internal Combustion Engines FundamentalsEditorial McGraw-Hill, Singapore, 1988

AMERICAN INSTITUTE OF STEEL CONSTRUCTION, Manual Of Steel Construction, Printed in the United States of America, 1980 COGENERATION, What is Cogeneration?http://www.bcogen.com COGENERATION, Small-Scale Cogenerationhttp://www.trigen.com/papers/chp2.htm

COGENERATION, What is Cogeneration?http://www.puc/cg1.html

COGENERATION OR COMBINED HEAT AND POWER, The Benefits of Cogeneration.http://www.energy.rochester.edu

COGENERATION, Overview