informe caldera (indice arreglado) ing. civil mecánica uach 2013
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Universidad Austral de Chile
Facultad de Ciencias de la Ingeniería
Escuela de Ingeniería Civil Mecánica
“DISEÑO DE CALDERA” HOSPITAL CARLOS IBÁÑEZ DEL CAMPO, DE LINARES
Integrantes:
Patricio Alejandro Antilef Baeza
Boris Enrique Arismendi Álvarez
Flaminio Iván Becerra Díaz
Diego Alberto Troncoso Ávila
Alejandro Javier Yefi Núñez
Profesores:
Sr. Rogelio Moreno
Sr. Marcelo Paredes
Sr. Juan Rebolledo
VALDIVIA
CHILE
03 de Junio de 2013
2
1. ÍNDICE
1. ÍNDICE ............................................................................................................................ 2
INDICE DE FIGURAS ............................................................................................................ 5
INDICE DE TABLAS............................................................................................................... 6
2. INTRODUCCIÓN ............................................................................................................ 7
3. PROBLEMA DE DISEÑO Y OBJETIVOS ...................................................................... 8
3.1. Problema .................................................................................................................. 8
3.2. Definición del Problema ........................................................................................... 8
3.3. Objetivos .................................................................................................................. 8
3.3.1. Objetivo general................................................................................................ 8
3.3.2. Objetivos específicos........................................................................................ 8
3.4. Fronteras del proyecto ............................................................................................. 9
3.5. Alcances del proyecto .............................................................................................. 9
4. PLANIFICACION DE PROYECTO ............................................................................... 10
5. DEFINICIÓN DEL PRODUCTO ................................................................................... 12
5.1. Método matriz QFD (Quality Function Deployment) ............................................. 12
5.2. Clientes involucrados ............................................................................................. 12
5.3. Requerimientos y especificaciones de ingeniería ................................................. 12
5.4. Matriz QFD ............................................................................................................. 14
6. CONSIDERACIONES DE DISEÑO .............................................................................. 15
6.1. Agua para calderas ................................................................................................ 15
6.2. Problemas causados por las impurezas del agua ................................................ 15
6.3. Características de la calidad del agua según Decreto Supremo N°48................. 15
6.4. Características del agua de Linares ...................................................................... 16
6.5. Tratamiento recomendado según Asociación chilena de seguridad (ACHS) ...... 17
7. GENERACIÓN DE CONCEPTOS ................................................................................ 18
7.1. Descomposición funcional ..................................................................................... 18
7.2. Tipo de caldera a diseñar ...................................................................................... 19
8. REDES DE VAPOR ...................................................................................................... 21
8.1. Diagrama Lay-Out.................................................................................................. 21
8.2. Distribución de vapor hacia las áreas de consumo............................................... 22
3
8.2.1. Dimensionamiento de la red........................................................................... 22
8.2.2. Cálculo de pérdida de carga en red de vapor................................................ 23
8.3. Aislación térmica de las tuberías ........................................................................... 30
8.3.1. Selección de material aislante. ...................................................................... 30
8.3.1.2. Cálculo de espesor del aislante desde el punto de vista económico ........ 38
8.3.2. Costo comercial del aislante. ......................................................................... 42
8.4. Sistema de agua caliente sanitaria........................................................................ 44
8.4.1. Producción instantánea .................................................................................. 45
8.4.2. Selección del acumulador .............................................................................. 46
8.4.3. Características técnicas del acumulador ....................................................... 48
8.4.4. Composición del suministro ........................................................................... 48
8.4.5. Acumulador de 1500 litros.............................................................................. 48
8.5. Calefacción recinto hospitalario............................................................................. 49
8.5.1. Condiciones de cálculo................................................................................... 49
8.5.2. Cálculo y selección intercambiador de calor para calefacción ...................... 49
8.5.3. Flujo de agua caliente para calefacción......................................................... 50
8.6. Área de calefacción ............................................................................................... 51
8.6.1. Balance de energía ........................................................................................ 51
9. CÁLCULO TÉRMICO.................................................................................................... 53
9.1. Cálculo del hogar ................................................................................................... 53
9.1.1. Consumo de combustible (Cc)........................................................................ 53
9.1.2. Volumen mínimo de la cámara de combustión.............................................. 54
9.1.3. Ciclo de carga de combustible ....................................................................... 55
9.2. Análisis de combustión .......................................................................................... 56
9.2.1. Construcción del diagrama de Ostwald ......................................................... 56
9.2.2. Cálculo de aire teórico .................................................................................... 57
9.2.3. Cálculo del aire real ........................................................................................ 59
9.2.4. Presión parcial de los humos ......................................................................... 62
9.3. Cálculo de radiación en el hogar ........................................................................... 64
9.3.1. Cálculo Sp ...................................................................................................... 67
9.3.2. Cálculo del coeficiente de reducción que contempla la disposición de los
tubos (Fa). ...................................................................................................................... 68
9.3.3. Cálculo del coeficiente de reducción que contempla la conductividad de la
pared (Fc)....................................................................................................................... 69
4
9.3.4. Cálculo del coeficiente de reducción que contempla la capa de hollín en los
tubos (Fs). ...................................................................................................................... 69
9.3.5. Cálculo del factor que depende del porcentaje de la superficie de la cámara
de combustión que está en contacto con el agua y del tipo de combustible (Ff). ....... 70
9.3.6. Cálculo temperatura de los gases del hogar ................................................. 71
9.4. Cálculo del primer paso de tubos .......................................................................... 73
9.4.1. Calor por radiación ......................................................................................... 73
9.4.2. Cálculo de superficie de calefacción (SC). .................................................... 74
9.4.3. Cálculo de la emisividad de los gases ........................................................... 74
9.4.4. Calor por conducción...................................................................................... 75
9.4.5. Cálculo de ................................................................................................... 76
9.4.6. Cálculo de rendimiento ................................................................................... 79
10. BIBLIOGRAFÍA .......................................................................................................... 80
11. ANEXOS .................................................................................................................... 81
5
INDICE DE FIGURAS
Figura 1. Carta Gantt con fecha 24 de marzo de 2013. Fuente: Microsoft Project 2013. .. 10
Figura 2. Carta Gantt – Continuación. Fuente: Microsoft Project 2013. ............................. 11
Figura 3. Matriz QFD. ........................................................................................................... 14
Figura 4. Descomposición funcional del generador de vapor. ............................................ 18
Figura 5. Diagrama Lay-Out preliminar del diseño. ............................................................. 21
Figura 6. Caño Pre moldeado .............................................................................................. 30
Figura 7. Densidad aparente vs coeficiente de conductividad térmica ............................... 31
Figura 8. Tubería aislada. .................................................................................................... 32
Figura 9. Acumulador con serpentín. ................................................................................... 44
Figura 10. Consumo de agua vs tiempo. ............................................................................. 47
Figura 11. Partes fundamentales del acumulador. .............................................................. 49
Figura 12. Para aire teórico CO2 vs O2. ............................................................................... 59
Figura 13. Para aire real CO2 vs O2. .................................................................................... 60
Figura 14. Intersección de las ecuaciones de aire. ............................................................. 61
Figura 15. Coeficiente Fa ..................................................................................................... 68
Figura 16.Factor Ff ............................................................................................................... 70
Figura 17. Diagrama de Moody............................................................................................ 82
6
INDICE DE TABLAS
Tabla 1. Clientes involucrados. ............................................................................................ 12
Tabla 2. Efecto en la caldera debido a impurezas en el agua de alimentación. ................. 15
Tabla 3. Calidad del agua. ................................................................................................... 16
Tabla 4. Características del agua de napas subterráneas en la ciudad de linares. ........... 16
Tabla 5. Criterios para cada caldera. ................................................................................... 19
Tabla 6. Dimensionamiento tubería. .................................................................................... 23
Tabla 7. Caudal volumétrico del vapor. ............................................................................... 24
Tabla 8. Velocidad real del vapor......................................................................................... 25
Tabla 9. Propiedades del régimen del vapor. ...................................................................... 26
Tabla 10. Características de la tubería. ............................................................................... 26
Tabla 11. Pérdidas de carga regular. ................................................................................... 27
Tabla 12. Pérdidas de carga singulares. ............................................................................. 28
Tabla 13. Pérdidas de carga total. ....................................................................................... 29
Tabla 14. Características de tubería. Fuente: Catálogo Volcán.......................................... 31
Tabla 15. Espesor supuesto................................................................................................. 33
Tabla 16. Resistencias térmicas R3 y R 4. .......................................................................... 34
Tabla 17. Resistencia térmica R1. ....................................................................................... 36
Tabla 18. Resistencia térmica R4. ....................................................................................... 37
Tabla 19. Perdida de calor en red de vapor, (Con espesor de aislante supuesto). ............ 38
Tabla 20. Ahorro energético ................................................................................................. 38
Tabla 21. Variación del espesor del aislante y % ahorro de energía .................................. 40
Tabla 22.Espesor de aislante v/s pérdida de calor para cada consumo............................. 41
Tabla 23.Ahorro energético .................................................................................................. 42
Tabla 24.Cálculo costo de inversión en aislación. ............................................................... 42
Tabla 25. Costos energía disipada. ..................................................................................... 43
Tabla 26. Características del acumulador de 1500 litros. ................................................... 48
Tabla 27. Composición química del chip de madera........................................................... 57
Tabla 28. Simbología de los elementos químicos de la madera. ........................................ 57
Tabla 29. Intersección con los ejes cartesianos para aire teórico. ..................................... 58
Tabla 30. Intersección con los ejes cartesianos para aire real. .......................................... 60
Tabla 31. Componentes de la combustión. ......................................................................... 61
Tabla 32. Componentes de combustión. ............................................................................. 62
Tabla 33. Factor Fc .............................................................................................................. 69
Tabla 34. Factor Fs .............................................................................................................. 70
Tabla 35. Cálculo de temperatura del hogar 1 .................................................................... 72
Tabla 36. Cálculo de temperatura del hogar 2 .................................................................... 72
Tabla 37. Características para el vapor saturado. .............................................................. 81
Tabla 38. Características de las tuberías. Fuente: (Aceros Otero, 2012)........................... 81
Tabla 39. Factores de pérdida de carga singulares ............................................................ 82
7
2. INTRODUCCIÓN
El presente documento expone el proyecto “Diseño de Caldera, Hospital Carlos
Ibáñez del Campo”, el cual es desarrollado bajo las exigencias que presenta el módulo de
intercambio de energía con fluidos compresibles, MPTL104-09 del VII semestre de la
carrera Ingeniería Civil Mecánica dictada en la Universidad Austral de Chile.
Los fines de este proyecto son de tipo académicos, por lo que el equipo de trabajo
desarrolla el proyecto bajo la metodología PBL (Problem Based Learning), donde los
estudiantes realizan su aprendizaje mediante el estudio de problemas reales.
El proyecto está basado en una licitación pública emitida por el Ministerio de
Salud, la cual trata de la reposición de dos calderas de producción de vapor marca
Kewanee (año 1961), ubicadas en el hospital Carlos Ibáñez del Campo situado en la
ciudad de Linares. Dicha reposición será efectuada por el diseño de una caldera tipo
Escocesa que supla las necesidades de vapor y agua caliente requerida.
Las áreas del establecimiento que se necesitan abastecer con vapor saturado
corresponden al sector de Alimentación, Esterilización y Lavandería. Mientras que el área
de Agua Caliente y Calefacción deben ser abastecidas por agua sub enfriada.
Además en el diseño de la caldera el equipo se preocupará del cálculo del sistema
de redes de vapor y agua necesario para abastecer los sectores de consumo,
considerando diversos elementos, tales como válvulas, bombas de agua, trampa de
vapor, acumuladores, intercambiadores de calor, etc.
El desarrollo del proyecto involucra conocimientos de diversas materias, tales
como la mecánica de fluidos, termodinámica y transferencia de calor. Estas ciencias se
utilizan en la solución de problemas termomecánico.
La mecánica de fluidos estudia los movimientos de los fluidos así como las fuerzas
que lo provocan, la termodinámica en cambio se focaliza en estudiar la conversión de una
forma de energía en otra y la transferencia de calor se especializa en estudiar el paso de
la energía térmica desde un cuerpo de mayor temperatura a otro de menor temperatura.
Finalmente se desarrollará un sistema generador de vapor y su posterior
distribución a partir de los requisitos de una licitación real, en donde se espera entregar
una propuesta satisfactoria, debido a que el funcionamiento del establecimiento depende
principalmente de este sistema. Así mismo mencionar que se desea seguir aumentando
las capacidades y conocimientos de los alumnos dentro de la carrera Ingeniería Civil
Mecánica.
8
3. PROBLEMA DE DISEÑO Y OBJETIVOS
3.1. Problema
Por medio de una licitación pública, el Servicio de Salud del Maule, llama a la
propuesta pública para la realización de un proyecto llamado “Reposición de calderas
hospital de Linares”.
El establecimiento necesita cumplir con la demanda de los consumos principales,
siendo estos los de lavandería, alimentación, esterilización, agua caliente y calefacción.
En el ámbito de limpieza, es muy importante contar con un suministro de vapor en
donde se requiere de temperaturas y presiones determinadas, ya que juegan un rol
fundamental en la eliminación de organismos bacteriológicos. Además, sabiendo en las
condiciones que deben tratar a las personas dentro del hospital, la calefacción es de vital
importancia para entregar una temperatura determinada al momento de calefaccionar.
Para el área de esterilización, se utiliza el vapor para la desinfección de utensilios,
herramientas entre otros, gracias a las grandes temperaturas que se pueden alcanzar.
También así, se debe tener en cuenta que las personas deben disponer de agua a una
temperatura adecuada para ser utilizada en baños, cocinas y también en el lavado de
utensilios.
3.2. Definición del Problema
El hospital Carlos Ibáñez del Campo, ubicado en la ciudad de Linares, requiere de
la continuidad de los suministros actuales de agua caliente y vapor, utilizando como
combustible de trabajo chip húmedo 120% de humedad base seca, para así satisfacer el
consumo de los servicios que presta el establecimiento hacia la comunidad.
3.3. Objetivos
3.3.1. Objetivo general
Diseñar un sistema de generación y abastecimiento de vapor a base de chip
capaz de alimentar las dependencias del establecimiento.
3.3.2. Objetivos específicos
Diseñar un generador de vapor que abastezca un consumo total de 3000 kgv/h a
una presión de 7 kg/cm2.
Diseñar un sistema de red para la distribución de vapor y agua caliente a cinco
consumos distintos.
Seleccionar y/o diseñar equipos complementarios para la generación y
abastecimiento del hospital.
9
Corroborar mediante el software el diseño mecánico de la caldera y el estaque de
agua caliente.
Confeccionar un manual de operación.
Generar planos del diseño.
Redactar un informe detallado del proceso de diseño.
3.4. Fronteras del proyecto
El proyecto se enfoca principalmente en el diseño de la planta generadora de
vapor, esto contempla diseñar y/o seleccionar cada componente que forma del sistema de
generación de vapor, considerando las redes de abastecimiento y distribución de materia
hacia las distintas dependencias del hospital.
El equipo no se involucrará en el desmontaje e instalación de la planta generadora
de vapor.
3.5. Alcances del proyecto
El proyecto irá dirigido al hospital Carlos Ibáñez de Campo, ubicado en Linares en
la VII Región, con el propósito de satisfacer los consumos en lavandería, alimentación,
esterilización, agua caliente y calefacción del establecimiento.
10
4. PLANIFICACION DE PROYECTO
El equipo de trabajo tomó la decisión de confeccionar una carta Gantt, con el
propósito de organizar los tiempos en base a las etapas del diseño. Este método se usa
para tener un programa en función del tiempo estipulado de un proyecto.
Se debe mencionar que hoy en día esta es una herramienta básica en la gestión
de proyectos en donde se trabaje con una cantidad de tareas y recursos humanos
considerables, por ello a continuación en la Figura 1 y Figura 2, se aprecia la carta Gantt
generada por el equipo de trabajo.
Figura 1. Carta Gantt con fecha 24 de marzo de 2013. Fuente: Microsoft Project 2013.
11
Figura 2. Carta Gantt – Continuación. Fuente: Microsoft Project 2013.
12
5. DEFINICIÓN DEL PRODUCTO
5.1. Método matriz QFD (Quality Function Deployment)
El método de la matriz QFD es una forma ordenada y eficiente de desarrollar la
información necesaria para entender el problema de diseño (Ullman, 2010) pág. 145.
Las funciones de la Matriz QFD son las siguientes:
1. Escuchar la voz de los clientes.
2. Desarrollar las especificaciones y objetivos para el producto.
3. Encontrar como las especificaciones miden los deseos de los clientes.
4. Medir que tan bien las competencias satisfacen el objetivo del proyecto.
5. Desarrollar tareas numéricas hacia las cuales trabajar.
5.2. Clientes involucrados
Los mandantes son:
Clientes Título
Rogelio Moreno Ingeniero Civil Mecánico,
M Sc. Dr. Ingeniería Mecánica.
Marcelo Paredes Ingeniero Civil Mecánico.
Juan Rebolledo Ingeniero Civil Mecánico.
Tabla 1. Clientes involucrados.
Desde un principio, se entiende que el proyecto está ordenado por las autoridades
del hospital base de Linares, sin embargo este proyecto tiene fines académicos y por
ende los clientes directamente relacionados con la licitación son los docentes a cargo del
VII semestre específicamente el “Módulo de intercambio de energía con fluidos
compresibles”, siendo estos clientes indirectos del proyecto.
5.3. Requerimientos y especificaciones de ingeniería
En base a lo entregado por clientes del proyecto (profesores) y junto con el uso de
información de proyectos anteriores ligados al diseño de una caldera, se logró obtener los
requerimientos, los cuales además el grupo de trabajo genero especificaciones de
13
ingeniería para describir los requerimientos y necesidades de los mandantes, siendo
estos con parámetros de medición, con el fin de fijar metas a seguir.
Aquí se puede apreciar que a cada requerimiento se le asigna como mínimo una
especificación de ingeniería, ya que si no fuese así, (Ullman, 2010) pág. 159 dice: “Si la
unidad de un parámetro de ingeniería no es encontrada, el parámetro no es medible y
debe ser renombrado”.
La caldera debe utilizar como combustible chip húmedo
Porcentaje de humedad del combustible (%).
Abastecer los consumos de agua caliente y vapor de las diferentes secciones
del hospital
Consumo de vapor de las distintas dependencias del establecimiento (kgv/hr).
Alimentar caldera con agua potable de la ciudad de Linares
Turbiedad de agua de alimentación (ppm).
Dureza total del agua (ppm).
PH del agua (PH).
Buena visibilidad en la lectura en los instrumentos de medición
Área visible de los medidores de presión (m2).
Área visible de los medidores de temperatura (m2).
Área visible de los medidores de nivel de agua (m2).
Área visible de los medidores de solidos disueltos (m2).
Área visible de los medidores de flujo de masa (m2).
Minimizar el área de operación de la caldera y sus componentes
Ancho de la caldera (m).
Largo de la caldera (m).
Alto de la caldera (m).
Contar con orificios de registro de tamaño y calidad
Cantidad de orificios de registro de tamaño y calidad (N°).
Evitar lo más posible las pérdidas de calor (referido a aislación)
Rendimiento de la caldera (%).
Temperatura de los gases que van a la chimenea (°C).
Evacuar seguramente los gases de la combustión
Altura de chimenea (m).
Diámetro de chimenea (m).
Soportar condiciones de uso
Presión máxima de trabajo (kg/cm2).
Temperatura máxima de trabajo (°C).
Seguridad del sistema de generación de vapor y redes de transporte
Cantidad de elementos de seguridad en el área (N°).
Distancia entre la caldera y las paredes del recinto (m).
Distancia libre sobre el elemento más elevado de la caldera (m).
Cantidad de puertas de la caldera (N°).
Fácil alimentación de combustible a la caldera
Alto de la caldera (m).
14
Fácil acceso al interior de la caldera
Cantidad de personas necesaria para abrir la puerta (N°).
Volumen requerido para ingresar una persona en la caldera (m3).
5.4. Matriz QFD
Se aprecia en la Figura 3, el ensamble final de la matriz QFD, donde se aprecia la
relación de los requerimientos y especificaciones, dando lugar a una posterior
ponderación entre estas dos y la importancia que estimó cada cliente.
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Fácil alimentación de combustible a la caldera
Seguridad del sistema de vapor y redes de transporte
Soportar condiciones de uso
Evacuar seguramente los gases de la combustión
Evitar lo más posible las pérdidas de calor (referido a aislación)
Contar con orificios de registro de tamaño y calidad
Fácil acceso al interior de la caldera
Minimizar el área de operación de la caldera y sus componentes
Buena visibilidad en la lectura en los instrumentos de medición
Alimentar caldera con agua potable de la ciudad de Linares
Abastecer los consumos de agua caliente y vapor de las diferentes secciones del hospital
La caldera debe utilizar como combustible chip húmedo
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Figura 3. Matriz QFD.
15
6. CONSIDERACIONES DE DISEÑO
6.1. Agua para calderas
El tratamiento de agua de una caldera de vapor o agua caliente es fundamental
para asegurar una larga vida útil libre de problemas operacionales, reparaciones de
importancia y accidentes.
Con el propósito de evitar problemas de corrosión e incrustaciones, es de vital
importancia emplear un tratamiento de agua para asegurar la calidad del agua de
alimentación y del agua contenida en la caldera.
6.2. Problemas causados por las impurezas del agua
En la Tabla 2 se presentan los problemas y su descripción:
Efecto en la caldera debido a impurezas en el agua
Problema Descripción
Embancamiento El barro y el silicio mezclados con sales, se depositan en el fondo de la caldera, impidiendo la libre circulación del agua.
Incrustaciones Costras duras producidas por sales de calcio y magnesio, se adhieren a las superficies y afectan la T.D.C al agua, provocan recalentamiento de tubos, provocando roturas y obstrucciones.
Corrosiones Deterioro en las superficies de la caldera, debido a la acción del oxígeno, anhídrido carbónico y sales. Además tratamientos del agua mal aplicados (desincrustantes).
Arrastre Ocurre cuando el vapor de agua lleva partículas en suspensión, estas partículas llevan solidos disueltos, provocando problemas de funcionamiento.
Fragilidad Caustica
Se produce cuando el agua contiene hidróxido de sodio en exceso, generando fisuras en los tubos y elementos sometidos a esfuerzos mecánicos.
Tabla 2. Efecto en la caldera debido a impurezas en el agua de alimentación.
6.3. Características de la calidad del agua según Decreto Supremo N°48
En base a lo descrito en el decreto N°48 “Aprueba reglamento de calderas y
generadores de vapor” (Chile, 1984), se destaca en el artículo 16° ciertas prescripciones
que debe cumplir el agua que alimenta una caldera para el óptimo funcionamiento de
esta.
Las características del agua en relación a su calidad son:
16
Calidad del agua según Decreto Supremo N°48
1. La turbiedad del agua de alimentación debe ser inferior a diez partes por millón (10 ppm).
2. La dureza total del agua debe ser inferior a treinta y cinco partes por millón (35 ppm).
3. No debe contener aceites ni substancias corrosivas.
4. El PH del agua no debe ser inferior a 7.
5. El condensado del vapor se puede reutilizar como agua de alimentación siempre que no se encuentre contaminada con aceites o substancias corrosivas.
6. Si las incrustaciones en la superficie es de espesor superior a 30% del grosor de las paredes (sección de mayor transmisión de calor), no debe entrar en funcionamiento hasta que se limpie, desincrustación y
revisión de instalaciones ablandadoras, garantizando la entrega de agua blanda.
Tabla 3. Calidad del agua.
6.4. Características del agua de Linares
Extracción de información del documento (Ortega, 2009), donde se realizaron
estudios del agua de capas subterráneas de pozos, zanjones y esteros, por lo tanto se
utilizó esta información para poder caracterizar el agua y tener en cuenta los valores
aproximados tanto de dureza, pH y turbiedad del agua.
A continuación se muestra la Tabla 4 que resume los siguientes datos:
Característica Valor
Dureza total 49.2 ppm
pH 7.04
Turbiedad 20 ppm Tabla 4. Características del agua de napas subterráneas en la ciudad de linares.
17
6.5. Tratamiento recomendado según Asociación chilena de seguridad (ACHS)
El agua debe ser tratada de con el propósito de prevenir futuros problemas
causados por las impurezas, utilizándose algún procedimiento adecuado. Por lo tanto se
recomienda el tratamiento físico que se describe de la siguiente manera según (Pedro
Abarca Bahamondes, 2007):
Filtración: Su objeto es extraer partículas grandes en suspensión. Se realiza
antes que el agua llegue a la caldera (externo). Los filtros pueden ser de mallas
(pequeñas instalaciones) o de grava y arena.
Desaireación: También llamada desgasificación. Consiste en extraer los gases
disueltos (oxígeno, anhídrido carbónico). Se consigue calentando el agua de alimentación,
proporcionando una gran área de contacto agua-aire (ducha o agitación).
Extracciones o purgas: Consiste en evacuar cierta cantidad de agua desde el
fondo de la caldera o del domo, con objeto de disminuir o mantener la cantidad total de
sólidos disueltos y extraer lodos (en el caso de purga de fondo). La extracción puede ser
continua o intermitente. La magnitud de la extracción depende de la concentración de
sólidos disueltos a mantener en la caldera y la del agua de alimentación.
18
7. GENERACIÓN DE CONCEPTOS
El objetivo aquí es poder determinar un concepto que se adapte de mejor manera
a las condiciones de diseño de la caldera, para esto se realizarán dos tareas
fundamentales para poder entender la función que cumple el producto (caldera) y
posteriormente realizar una serie de evaluaciones a criterios que se encuentran en
comparación.
7.1. Descomposición funcional
Parte del diseño conceptual del proyecto es conocer lo que el producto debe
realizar, para ello se identifica la función general del producto como un “sistema que utiliza
agua tratada con el propósito de generar vapor y agua caliente para las distintas
dependencias del hospital de Linares”.
Para entender el funcionamiento del sistema generador de vapor y redes, se
realiza un diagrama de subfunciones, el cual se presenta en la Figura 4.
Figura 4. Descomposición funcional del generador de vapor.
19
7.2. Tipo de caldera a diseñar
A continuación se puede apreciar una serie de criterios que se consideraran para
poder tomar una decisión viable respecto al tipo de caldera que se diseñará. Las calderas
que se eligieron son del tipo “compactas” y “escocesas”. Los criterios que se escogieron
provienen del libro (Shield, 1973) y dan una información clara y específica para tomar la
decisión.
En la Tabla 5 se aprecia los criterios seleccionados y su respectiva evaluación.
Criterios Cadera tipo Compacta Caldera tipo Escocesa
Tipo de combustible
Solidos Líquidos, gaseosos y solidos
Presión de trabajo Baja presión (hasta 2 [kg/cm2]) Media presión (entre 2 y 10 [kg/ cm2])
Geometría Irregular Cilíndrica
Volumen cámara de combustión
Amplio Reducido
Fácil limpieza Si No
Costo Económico Económico
Importancia del tratamiento de H2O
Alta Baja
Eficiencia Hasta un 80% Entre 75% a 80%
Tabla 5. Criterios para cada caldera.
El criterio “Presión de trabajo” que se observa en la tabla anterior, señala las
presiones a las que trabajan las calderas pre-seleccionadas. A primera vista se puede
pensar que no es un criterio significativo para la toma de decisión, pero existe en la
literatura de diseño y construcción de calderas antecedentes que muestran que se han
confeccionado calderas tipo Compactas que trabajan a las presiones de las tipo
Escocesa. Pero estos son casos particulares, realizados por empresas dedicadas al
rubro. Aun así, el equipo de trabajo lo consideró para los criterios, ya que está información
es procedente de uno de los libros utilizados como guía para el desarrollo del proyecto
(Shield, 1973), siendo esto una buena práctica en el diseño.
Respecto al tipo de combustible, los dos tipos de caldera son aptos para el chip
de madera, sin embargo la presión de trabajo, da un valor claro a favor de la caldera
escocesa ya que la presión de trabajo dada corresponde a 7 kg/cm2.
20
La geometría de forma cilíndrica reduce de manera considerable la presión
interna, paralelamente la estabilidad es mucho mayor gracias a su forma regular.
El volumen de la cámara de combustión es favorable para el tipo compacta,
debido a la gran masa de combustible, sin embargo esto se puede compensar con el
diseño de un ante-hogar.
Con respecto a la limpieza, la tipo compacta es mucho más fácil realizar un aseo
dentro de esta ya que a diferencia de una tipo escocesa la cual posee superficies internas
que no tienen fácil acceso, especialmente las secciones que quedan abajo del fogón.
La importancia del tratamiento del agua, no es elevada para el tipo escocesa ya
que los precipitados, materiales en suspensión y fangos, se acumulan en el espacio que
queda debajo de fogón, la cual es una zona de movimiento relativamente escaso.
Para el último criterio, la eficiencia es un valor muy importante ya que repercute
muy directamente con los costos, para ambos casos la eficiencia no supera el 80%.
Por lo tanto el grupo de trabajo tomo la decisión de diseñar una caldera del tipo
escocesa, ya que cumple con la mayoría de los criterios descritos anteriormente, sin
embargo en el caso de la limpieza se debe recurrir a un servicio especializado en el aseo
de esta. En base a los criterios evaluados se puede asegurar que el diseño de la caldera
escocesa llevará a un producto óptimo.
21
8. REDES DE VAPOR
En esta sección es importante considerar el cálculo de las redes de vapor, ya que
son las encargadas de transportar el vapor generado en la caldera hasta los distintos
lugares en donde los procesos puedan requerir la energía que el vapor puede llegar a
ceder. Básicamente el vapor es transportado a través de cañerías y que se clasifican de
distintas maneras.
Aquí se aplica directamente la mecánica de fluidos, transferencia de calor y
termodinámica, siendo estas las materias primarias para realizar el diseño y/o cálculos
necesarios.
Parte fundamental del proceso de generación de vapor es el abastecimiento de
agua a la caldera y posterior distribución de vapor hacia las distintas áreas de consumo.
8.1. Diagrama Lay-Out
Se muestra en la Figura 5 el esquema que permita visualizar la distribución de los
elementos de la caldera y redes de vapor dentro de la sala de calderas.
Esterelización
Lavandería
Aliementación
Agua Caliente
Man
ifo
ld
Ch
ip
Intercambiador de calor
Intercambiador de calor
Radiador
Acumulador para agua caliente
sanitaria
Fosa para purga
Caldera
Ante-hogar
Transportador
Estanque de condensado
Estanque para tratamiento del agua
Agua fría
Agua caliente
Vapor
Retorno condensado
Combustible
Abastecimiento de agua
Figura 5. Diagrama Lay-Out preliminar del diseño.
22
8.2. Distribución de vapor hacia las áreas de consumo
Tal como se había mencionado con anterioridad el sistema generador de vapor
debe cumplir con el abastecimiento de cinco áreas funcionales del Hospital Carlos Ibáñez
del Campo, para ello el sistema de redes debe ser capaz de transportar vapor saturado o
agua caliente según sea caso hacia las áreas de consumo.
8.2.1. Dimensionamiento de la red
Existen diversos procedimientos para dimensionar las cañerías de la red de vapor,
por lo que el equipo utilizara el método de velocidad constante. Este método relaciona el
diámetro mínimo teórico (D) que debe tener la cañería, la velocidad del vapor (V) y el
caudal volumétrico (Q) del vapor mediante la Ecuación 1. presentada a continuación:
√
Ecuación 1.
Dónde: Q: Caudal volumétrico en (m3/h).
V: Velocidad máxima aconsejable en (m/s).
Teniendo en cuenta los caudales volumétricos de cada sector a abastecer en el
hospital y considerando que la velocidad máxima recomendable que puede llevar el vapor
para una presión absoluta de 8 kg/cm2 es de 40 m/s según lo indica el Manual de
Instalaciones térmicas (Paredes Cinfuentes, 1980, pág. 34), entonces se obtienen los
diámetros mínimos teóricos que debe poseer la cañería, tal como se indican en la
Tabla 6.
Debido a que no se fabrican comercialmente cañerías con las dimensiones
teóricas solicitadas, se utiliza el manual aceros Otero (Aceros Otero, 2012) para identificar
las dimensiones reales de las cañerías que se comercializan dentro del país, las cuales se
detallan en la
Tabla 6.
El cálculo de los caudales volumétricos se realiza detalladamente en el siguiente
punto, por mientras solo se presentan los valores en la
Tabla 6.
23
Área de Consumo
Caudal Volumétrico
(m3/h)
Velocidad máx.
Aconsejable (m/s)
Diámetro min. Teórico de la tubería
(m)
Diámetro min.
Comercial de la cañería (m)
Diámetro N. comercial de
la tubería (Pulg.)
Red Principal 734.39 40.0 0.0806 0.09012 3 ½
Esterilización 78.34 40.0 0.0263 0.03508 1 ¼
Lavandería 78.34 40.0 0.0263 0.03508 1 ¼
Alimentación 73.44 40.0 0.0255 0.03508 1 ¼
Agua Caliente 68.54 40.0 0.0246 0.03608 1 ¼
Calefacción 342.72 40.0 0.0550 0.06268 2 ½
Tabla 6. Dimensionamiento cañería.
Una vez dimensionada la red, se procede con la selección del tipo de cañería que
conducirá el vapor hacia los sectores de consumo, para ello se utiliza el manual aceros
otero (Aceros Otero, 2012) el cual recomienda utilizar una cañería ASTM A106 grado B de
acero al carbono. Mayor información técnica acerca de las cañerías a utilizar se presenta
en la
Tabla 38.
8.2.2. Cálculo de pérdida de carga en red de vapor
El sistema de distribución de vapor es un enlace importante entre la fuente
generadora de vapor y los sectores de consumo. Es por ello que se debe tener en cuenta
la perdida de energía cinética que presenta el vapor debido a la fricción de sus partículas
entre si y contra las paredes de la cañería.
Existen pérdidas de carga de tipo regulares, las cuales se deben a la fricción que
se genera en las tuberías, y pérdidas de tipo singulares las cuales son ocasionadas por
todos aquellos accesorios de la red, tales como válvulas, trampas de vapor, codos, tés,
etc.
8.2.2.1. Pérdidas de carga regulares
Para el cálculo de perdida de carga se deben conocer las siguientes variables:
Temperatura del vapor.
Presión del vapor.
Longitud del tramo de cañería recta.
Número y tipos de accesorios de la cañería.
Diámetro de la cañería.
Tipo de cañería y rugosidad absoluta.
Caudal de trabajo.
24
25
Considerando que en las redes de vapor se distribuye vapor saturado a presión absoluta
de 8 kg/cm2 y temperatura de saturación de 169.6 °C, según lo indica la tabla
termodinámica de vapor saturado (Tabla 37) se obtienen las propiedades del vapor
saturado:
Densidad: ρ = 4.085 (kg/m3).
Viscosidad cinemática: = 3,589 x 10-6 (m2/s).
Al conocer la densidad del vapor saturado, esta es utilizada para obtener el caudal
volumétrico existente, el cual se rige por la Ecuación 2..
Ecuación 2.
Dónde: Q: Caudal volumétrico (m3/h)
Qm: Caudal másico en (kgv/h)
ρ: Densidad del vapor en (kgv/m3)
Conociendo la ecuación anterior, se calcula el caudal volumétrico para cada sector
de consumo, cuya información se presenta en la
Tabla 7 .
Área de consumo Caudal másico en
(kgv/h) Densidad del vapor
saturado en (kgv/m3) Caudal
Volumétrico
Red principal 3000 4.085 734.39
Esterilización 320 4.085 78.34
Lavandería 320 4.085 78.34
Alimentación 300 4.085 73.44
Agua Caliente 280 4.085 68.54
Calefacción 1400 4.085 342.72
Tabla 7. Caudal volumétrico del vapor.
Utilizando los valores del caudal volumétrico (Q) de vapor saturado y en conjunto
con los diámetros interiores comerciales (Dint) de las cañerías, presentados anteriormente
en la Tabla 7, se puede calcular la velocidad máxima real que lleva el vapor en la cañería,
la cual está dada por la Ecuación 3.
Ecuación 3.
26
Dónde:
: Velocidad real del vapor (m/s)
Q: Caudal volumétrico en (m3/h).
D: Diámetro interno de los tubos en (m).
Aplicando la ecuación anterior a cada consumo, se muestra en la
Tabla 8, que el valor de la velocidad real se encuentra por debajo de los 40 m/s que debe
llevar el vapor saturado como máximo para la presión manométrica de 7 kg/cm2.
Área de consumo Diámetro interior
de cañería (m) Caudal volumétrico
(m3/h) Velocidad real del vapor (m/s)
Red principal 0.09012 734.39 31.981
Esterilización 0.03508 78.34 22.514
Lavandería 0.03508 78.34 22.514
Alimentación 0.03508 73.44 21.107
Agua Caliente 0.03508 68.54 19.699
Calefacción 0.06268 342.72 30.852
Tabla 8. Velocidad real del vapor.
Al obtener los datos de la velocidad del vapor saturado, la viscosidad cinemática y
el diámetro de la cañería, estos se utilizan para calcular el número de Reynolds ( ). Este
se encuentra definido a continuación por la Ecuación 4.
Ecuación 4.
Dónde:
V: Velocidad del vapor saturado en (m/s).
D: Diámetro interior de cañería (m).
: Viscosidad cinemática en (m2/s).
El número de Reynolds permite conocer si el vapor posee un régimen laminar (
< 2300), un flujo turbulento ( > 2300) o un flujo critico en caso de que = 2300. A
continuación en la
Tabla 9, se conoce el número de Reynolds para cada tramo de cañería por donde circula
el vapor saturado y su respectivo tipo de flujo.
27
28
Área de consumo
Diámetro interior de
cañería (m)
Velocidad real del vapor en
(m/s)
Viscosidad Cinemática en (m2/s)
Número de Reynolds
(adimensional)
Régimen del Vapor
Red principal 0.09012 31.981 3.589*10-6 803049.230 Turbulento
Esterilización 0.03508 22.514 3.589*10-6 220055.634 Turbulento
Lavandería 0.03508 22.514 3.589*10-6 220055.634 Turbulento
Alimentación 0.03508 21.107 3.589*10-6 206302.157 Turbulento
Agua Caliente 0.03508 19.699 3.589*10-6 192548.680 Turbulento
Calefacción 0.06268 30.852 3.589*10-6 538816.823 Turbulento
Tabla 9. Propiedades del régimen del vapor.
Al considerar que el tipo de cañería es un acero comercial (nuevo) entonces se
obtiene de la
Tabla 38, el valor del coeficiente de rugosidad absoluta de la cañería ( ), el
cual permite obtener la rugosidad relativa según el diámetro de la cañería, como se
muestra en la
Tabla 10.
Área de consumo
Diámetro interior de
cañería (mm)
Rugosidad absoluta
(mm)
Rugosidad relativa
ε/D
Red principal 90.12 0.045 0.000499
Esterilización 35.08 0.045 0.001283
Lavandería 35.08 0.045 0.001283
Alimentación 35.08 0.045 0.001283
Agua Caliente 35.08 0.045 0.001283
Calefacción 62.68 0.045 0.000718
Tabla 10. Características de la cañería.
Parte de los datos necesarios para el cálculo de perdida de carga debida a la
fricción, es encontrar el factor de Darcy o factor de fricción (ƒ), para ello se utiliza la
Ecuación 5 de White-Colebrook. Esta ecuación relaciona el factor de fricción con los
parámetros de los que depende el mismo factor (Número de Reynolds y rugosidad relativa
(ε/D).
√ [
⁄
√ ]
Ecuación 5.
Dónde: f: Factor de Darcy (adimensional).
ε: Rugosidad absoluta en (mm).
29
D: Diámetro interno en (m).
: Número de Reynolds (adimensional).
Debido a que la Ecuación 5 es de tipo implícita, entonces se utiliza el diagrama de
Moody (ver Figura 17) para identificar el valor del factor de fricción, obteniendo los
factores señalados en la
Tabla 11.
Luego de obtener los datos de interés se utiliza la Ecuación 6 de Darcy –
Weisbach, con la cual se calcula la perdida de carga de tipo regular que tiene el vapor
debido a la fricción existente. Aquí se relaciona la pérdida de carga (hƒ) con el factor de
Darcy, la longitud y diámetro de la cañería, la velocidad real del vapor y la aceleración de
gravedad.
Ecuación 6.
Dónde: f: Factor de Darcy (adimensional).
L: Largo de la cañería (m).
D: Diámetro interno en (m).
V: Velocidad real del vapor en (m/s).
Considerando la aceleración de gravedad es 9.81 m/s2, se presenta en la
Tabla 11, la perdida de carga regular en cada tramo de cañería, según los datos
recopilados previamente.
Área de consumo
Longitud de la
tubería (m)
Diámetro interior de
cañería (m)
Factor de Darcy
Velocidad del vapor
(m/s)
Perdida de carga regular (debido a la
fricción) bar
Red principal 3 0.09012 0.017 31.981 0.0118
Esterilización 22 0.03508 0.021 22.514 0.1363
Lavandería 35 0.03508 0.021 22.514 0.2169
Alimentación 15 0.03508 0.022 21.107 0.0856
Agua Caliente 40 0.03508 0.022 19.699 0.1988
Calefacción 18 0.06268 0.019 30.852 0.1061
Tabla 11. Pérdidas de carga regular.
30
8.2.2.2. Pérdidas de carga singulares.
Como se ha mencionado anteriormente, todos aquellos accesorios que son parte
de la red de vapor (codos, válvulas, tees, trampa de vapor, etc.) implican una pérdida de
carga a lo largo de la red.
Para el cálculo de este tipo de pérdidas se utilizará el método de longitud
equivalente, donde se considera que la perdida de carga producida por un accesorio de la
red, es equivalente a la perdida de carga que causa un tramo de cañería ficticio con
diámetro igual al del accesorio.
El largo ficticio de la cañería es obtenido a partir de la relación entre un factor
numérico (F) y el diámetro (D) de la cañería. Este factor se presenta en la Tabla 39, y es
relacionado mediante la Ecuación 7.
Ecuación 7.
Dónde:
F: Factor numérico (adimensional).
D: Diámetro interno de la cañería en (m).
Considerando los accesorios a utilizar se presenta en la
Tabla 12, las pérdidas de carga singulares que tiene cada tramo de la red de vapor.
Área de consumo
Diámetro
interior de cañería
(m)
Codo (90°) F = 20
(unidad)
Tee F = 60
(unidad)
Válvula
esfera F = 3
(unidad)
Largo ficticio
(m)
Pérdida de
carga singular
(bar)
Red principal 0.09012 3 0 1 5.678 0.0224
Esterilización 0.03508 6 1 1 6.420 0.0398
Lavandería 0.03508 5 1 1 5.718 0.0354
Alimentación 0.03508 3 1 1 4.315 0.0246
Agua Caliente 0.03508 6 1 1 6.420 0.0319
Calefacción 0.06268 8 1 1 13.978 0.0824
Tabla 12. Pérdidas de carga singulares.
Una vez conocida las pérdidas de carga regular y singular que se generan en la
red de vapor, mediante la suma de estas es posible calcular la perdida de carga total,
cuyos valores se muestran en la
Tabla 13.
31
Área de consumo Pérdida de carga total
(bar)
Red principal 0.034
Esterilización 0.176
Lavandería 0.252
Alimentación 0.110
Agua Caliente 0.231
Calefacción 0.188
Tabla 13. Pérdidas de carga total.
8.2.2.3. Perdida de carga generada por el manifold.
Uno de los accesorios que debe tener la red de vapor para distribuir el vapor que
viene por la red principal hacia los distintos consumos es el manifold. Este accesorio
genera una perdida de carga que se incluye a las perdidas calculadas en la
Tabla 13. Para el cálculo de esta perdida de carga se considera la ecuación 8
mostrada a continuación, la cual representa la perdida que genera la entrada y posteriores
salidas del manifold.
Ecuación 8.
Donde:
: Perdida de carga de una pieza o accesorio. (mcv)
K: Coeficiente de proporcionalidad, (K=1 para la entrada y K= 0,5 para cada salida
del manifold).
V: Velocidad de escurrimiento. (m/s).
g: Aceleración de gravedad (9,81 m/s2).
Remplazando los datos pertinentes de cada situación en la ecuación 8, se obtiene las
perdidas de carga proporcionada por la entrada y cada salida del manifold. Estos valores
se presentan en la tabla 14.
Área de consumo K
(Adim) Velocidad del vapor (m/s2)
Perdida de carga (mcv)
Pérdida de carga (bar)
Red principal 1.0 31.98 52.13 0.0209
Esterilización 0.5 22.51 12.92 0.0052
Lavandería 0.5 22.51 12.92 0.0052
Alimentación 0.5 21.11 11.35 0.0045
Agua Caliente 0.5 19.70 9.89 0.0040
Calefacción 0.5 30.85 24.26 0.0097
32
Tabla 14. Perdida de carga generada en el manifold
De la tabla 14, se encuentra que la perdida de carga total que se genera en el manifold es
la de la entrada (Red Principal) mas la mayor de la salida (calefacción), alcanzando un
valor de 0,0306 (Bar).
8.3. Aislación térmica de las cañerías
La idea del diseño de la red de vapor es transportar la energía producida en el
generador de vapor hacia los sectores de consumo, para ello se debe tener en cuenta que
las pérdidas energéticas durante el transporte deben ser mínimas, y con la mínima
inversión posible en la instalación de la red. Además a la hora de seleccionar el tipo de
aislante se debe considerar que este proporcione un ambiente de confort y seguridad para
los operarios.
8.3.1. Selección de material aislante.
En base al Catálogo Volcán (Volcan, 2009) el equipo opta por utilizar lana
mineral, la cual es fabricada por la empresa Volcán, y el tipo de aislación se denomina
caño pre-moldeado de lana mineral Aíslan®. La apariencia de este tipo de aislante se
presenta en la Figura 6.
Figura 6. Caño Pre moldeado1
Entre las características que tiene el material se desea conocer la conductividad
térmica de este, para ello se ensaya con productos a temperatura ambiente de 20 °C y en
base a sus densidades aparentes para cada producto se tienen las conductividades
presentadas en la
1 Figura de referencia obtenida catálogo Volcan
33
Tabla 14.
Densidad Aparente (kg / m3)
Conductividad térmica (W / m°C)
40 0.042
80 0.038
100 0.039
120 0.043
Tabla 14. Características de tubería. Fuente: Catálogo Volcán.
El comportamiento de la conductividad térmica en función de la de la densidad
aparente se muestra en la Figura 7, la cual refleja una relación parabólica con valor
mínimo de la conductividad de 0,038 W/m°C y esto ocurre cuando la densidad es de 80
kg/m3.
Figura 7. Densidad aparente vs coeficiente de conductividad térmica2
Por lo tanto las características del aislante a utilizar son:
Material aislante: Lana mineral.
Conductividad del material: k = 0,038 W/m°C.
Densidad media aparente: 80 kg/m3
Material no combustible (Certificado por el fabricante).
Punto de fusión: 1090 °C.
2 Fuente: catálogo Volcan
34
8.3.1.1. Cálculo de pérdidas de calor.
Para el cálculo de las pérdidas de calor que se generan en la red de vapor, se
considera la sección transversal de la cañería, la cual dispondrá de una capa interior de
acero y una capa exterior de aislante. En el interior de la cañería se encuentra el vapor
saturado como se muestra en la Figura 8, mientras que el condensado se desprecia
debido a que el sistema se encuentra aislado y en caso de generarse condensado, la red
cuenta con sistemas de evacuación de condensado.
Los datos necesarios para el cálculo de las pérdidas de calor son:
Temperatura del vapor al interior de la cañería: T1 = 169.6 °C.
Temperatura medio ambiente: T2 = 20 °C.
Temperatura pared exterior del aislante: T3 = 30 °C.
Coeficiente de conductividad térmica del acero: K1 = 36 W/m°K. Extraído de Tabla
10, A9 de (Kreith & Bohn, 2001).
Coeficiente de conductividad térmica del aislante: K2 = 0.038 W/m°K. Extraído del
Catálogo Volcán (Volcan, 2009).
Coeficiente convectivo del vapor saturado [°C]: h1, (independiente según el n° de
Nusselt de cada sector).
Coeficiente convectivo del aire: h2.
Radio interior de la cañería de acero: r1.
Radio exterior de la cañería de acero y radio interior del caño de lana mineral: r2.
Radio exterior del caño de lana mineral: r3.
Resistencia térmica por convección forzada: R1.
Resistencia térmica por conducción: R2 y R3.
Resistencia térmica por convección natural: R4.
Figura 8. Tubería aislada.
35
Para el cálculo de la pérdida de calor que se genera cuando fluye el vapor
saturado por dentro de la cañería se deben considerar los siguientes puntos:
La temperatura del ambiente se mantiene uniforme.
La temperatura del vapor saturado se mantiene uniforme, (por lo tanto se
considera que la temperatura de la pared interior es igual a la del vapor saturado).
La transferencia de calor por metro lineal de cañería (q/L) es uniforme a lo largo de
la cañería.
Se considerará que la temperatura (supuesta) de la pared exterior al aislante es de
30 [°C].
Para efecto de cálculo se supondrá el espesor que debe tener el aislante en las
cañerías según cada área consumo, los cuales se presentan en la
Tabla 15.
Área de consumo Espesor del aislante
(supuesto) [m]
Red principal 0.09
Esterilización 0.06
Lavandería 0.06
Alimentación 0.06
Agua Caliente 0.06
Calefacción 0.08
Tabla 15. Espesor supuesto.
Tomando en cuenta las consideraciones anteriores, se utiliza la siguiente ecuación
para obtener la perdida de calor por unidad de longitud (q/L) generada a través de la
cañería y aislante respectivamente.
Ecuación 9.
Dónde: q/L: Calor cedido por unidad de longitud.
T1: Temperatura del vapor saturado.
T2: Temperatura aire (medio ambiente).
R1: Resistencia térmica por convección forzada del vapor saturado.
R2: Resistencia térmica por conducción del acero.
R3: Resistencia térmica por conducción del aislante.
R4: Resistencia térmica por convección natural del aire.
El cálculo de las resistencias térmicas depende de la forma por la cual se
transfiere el calor, entre ellas se tienen:
36
Transferencia de calor por conducción: Las resistencias R2 y R3, se encuentran
bajo este caso, para ello se utiliza las ecuaciones de a continuación las cuales
representan la resistencia térmica conductiva.
Ecuación 10.
Ecuación 11.
Dónde: r1: Radio interior de la cañería de acero.
r2: Radio exterior de la cañería de acero = radio interior del aislante.
r3: Radio exterior del aislante.
K cañería, K aislante: Coeficiente de conductividad térmica acero y lana
mineral respectivamente.
Utilizando las ecuaciones anteriores, en la
Tabla 16, se obtienen las resistencias térmicas R3 Y R4 que tiene cada tramo de cañería
según el sector del hospital al cual abastecerán.
Área de consumo
Radio 1 [m]
Radio 2 [m]
Radio 3 [m]
K acero [W/m°K]
K aislante [W/m°K]
Resistencia térmica 2 [m°K/W]
Resistencia térmica 3 [m°K/W]
Red principal 0.04506 0.0508 0.1408 36 0.038 0.000530 4.270
Esterilización 0.01754 0.0211 0.0811 36 0.038 0.000817 5.639
Lavandería 0.01754 0.0211 0.0811 36 0.038 0.000817 5.639
Alimentación 0.01754 0.0211 0.0811 36 0.038 0.000817 5.639
Agua Caliente 0.01754 0.0211 0.0811 36 0.038 0.000817 5.639
Calefacción 0.03134 0.0365 0.1065 36 0.038 0.000674 4.485
Tabla 16. Resistencias térmicas R3 y R 4.
Transferencia de calor por convección forzada: La resistencia térmica R1 se basa
en este modo de transferencia, por tanto es calculada mediante la siguiente
ecuación, la cual representa la resistencia térmica por convección forzada.
Ecuación 12.
37
Dónde: r1: Radio interior de la cañería.
: Coeficiente de transferencia de calor por convección forzada. Para el
cálculo de este se utiliza la siguiente ecuación:
Ecuación 13.
Dónde: r1: Radio interior de la cañería.
K vapor: Conductividad térmica del vapor saturado.
: N° de Nusselt.
Este es posible ser calculado mediante la siguiente ecuación, conocida
como ecuación de Dittus – Boelter.
Ecuación 14.
Dónde: Re: N° de Reynolds, el que debe estar entre 6000 < Re < 107.
Pr: N° de Prandtl, el cual debe estar entre 0,5 < Pr < 120. Y este número
es calculado mediante la siguiente ecuación.
Ecuación 15.
Dónde: Cp: Calor especifico del vapor.
: Viscosidad dinámica.
: Conductividad térmica del vapor saturado a 169.4 [°C].
: Viscosidad cinemática del vapor.
: Difusividad térmica.
Al conocer la formulación matemática para obtener la resistencia térmica
convección forzada, se utilizan los datos presentados en la
Tabla 17, para obtener la resistencia térmica R1.
38
Área de consumo
Radio 1 [m]
N° de Reynolds
[adim.]
N° de Prandtl [adim.]
N° de Nusselt [adim.]
k vapor [W/m°K]
h1 vapor [W/m2K]
Resistencia térmica 1 [m°K/W]
Red principal 0.04506 803049.23 1.014 1224.708 0.0293 796.968 0.00443
Esterilización 0.01754 220055.63 1.014 434.775 0.0293 726.833 0.01248
Lavandería 0.01754 220055.63 1.014 434.775 0.0293 726.833 0.01248
Alimentación 0.01754 206302.16 1.014 412.897 0.0293 690.259 0.01314
Agua Caliente 0.01754 192548.68 1.014 390.725 0.0293 653.193 0.01389
Calefacción 0.03134 538816.82 1.014 890.004 0.0293 832.707 0.00609
Tabla 17. Resistencia térmica R1.
Transferencia de calor por convección natural: como la resistencia térmica R4 es
la que presenta el aire en el medio ambiente, por tanto se tiene convección
natural, y para el cálculo de la resistencia térmica por este medio se utiliza la
siguiente ecuación:
Ecuación 16.
Dónde: r3: Radio exterior del aislante.
: Coeficiente de transferencia de calor por convección natural. En este
caso este coeficiente convectivo se calcula mediante la siguiente ecuación:
Ecuación 17.
Dónde: r3: Radio exterior del aislante.
K aire: Conductividad térmica del aire a 20° C.
: N° de Nusselt. Este es posible ser calculado mediante la siguiente
ecuación, conocida como ecuación de Dittus – Boelter.
Ecuación 18.
Dónde: Pr: N° de Prandtl, donde se debe cumplir que Pr > 0.5.
GrD: N° de Grashof. El cual se calcula mediante la siguiente ecuación, y se
debe cumplir que 103 < GrD <109.
39
Ecuación 19.
Dónde: g: Aceleración de gravedad (g = 9,81 [m/s2]).
β: Coeficiente de dilatación térmica, el cual tiene un valor de β = 3.36 x 10-
3 [1/m°K] (para el aire a presión atmosférica y temperatura de película T =
25 [°C])
T3: Temperatura de la superficie del aislante T = 30 [°C].
T2: Temperatura del medio ambiente. T = 20 [°C].
D: Diámetro exterior del aislante. (Según el área de consumo).
V: Viscosidad del aire, v = 16.175 x 10-6 [m2/s]. (A temperatura de película
T= 25 [°C], y presión atmosférica).
Considerando los datos anteriores y las ecuaciones presentadas, se calcula
coeficiente de transferencia de calor por convección natural (haire), y la respectiva
resistencia térmica (R4) que posee el medio exterior. Dicha información se
muestra en la
Tabla 18.
Área de consumo
Radio 3 [m]
N° de Grashof [Adim.]
N° de Prandtl [adim.]
N° de Nusselt [adim.]
k aire (25° C)
[W/m°K]
h3 aire [W/m2K]
Resistencia térmica 4 [m°K/W]
Red principal 0.1408 28091239.64 0.71 35.419 0.02545 6.402 0.1766
Esterilización 0.0811 5368160.632 0.71 23.418 0.02545 7.349 0.2670
Lavandería 0.0811 5368160.632 0.71 23.418 0.02545 7.349 0.2670
Alimentación 0.0811 5368160.632 0.71 23.418 0.02545 7.349 0.2670
Agua Caliente 0.0811 5368160.632 0.71 23.418 0.02545 7.349 0.2670
Calefacción 0.1065 12156589.83 0.71 28.727 0.02545 6.865 0.2177
Tabla 18. Resistencia térmica R4.
Una vez obtenidos los valores de cada resistencia térmica, se procede a
utilizar la Ecuación 9 presentada anteriormente, con el fin de encontrar el valor de
la pérdida de calor por unidad de longitud (q/L) generada a través de la cañería y
aislante respectivamente, tal como se muestra en la
Tabla 19. Para este cálculo se considera que la diferencia de temperatura entre el vapor
al interior de la cañería y el aire al exterior, es (T1-T2) = 149.4 [°K].
40
Área de consumo
(T1-T2) [°K]
Resistencia térmica 1 [m°K/W]
Resistencia térmica 2 [m°K/W]
Resistencia térmica 3 [m°K/W]
Resistencia térmica 4 [m°K/W]
Perdida de calor (q/L)
[W/m]
Red principal 149,4 0,0044 0,000530 4,270 0,177 33,564
Esterilización 149,4 0,0125 0,000817 5,639 0,267 25,239
Lavandería 149,4 0,0125 0,000817 5,639 0,267 25,239
Alimentación 149,4 0,0131 0,000817 5,639 0,267 25,236
Agua Caliente 149,4 0,0139 0,000817 5,639 0,267 25,233
Calefacción 149,4 0,0061 0,000674 4,485 0,218 31,724
Tabla 19. Perdida de calor en red de vapor, (Con espesor de aislante supuesto).
Una forma de conocer el porcentaje de ahorro energético que se tiene al utilizar el
aislante seleccionado y con el espesor escogido, es conocer cuánto es la pérdida total de
calor que se genera si la cañería no estuviera aislada, y con ello aplicar la Ecuación 20.
Ecuación 20.
Al considerar que la cañería no se encuentra cubierta con material aislante, y
aplicar la ecuación anterior, se obtiene el porcentaje de ahorro energético para cada
tramo de cañería (Tabla 20), el cual será útil a la hora de escoger el espesor adecuado
del aislante.
Área de
consumo
Espesor aislante
[m]
q/L c/aislación
[W/m]
q/L s/aislación
[W/m]
Ahorro energético
(%)
Red principal 0.09 33.564 388.823 91.4
Esterilización 0.06 25.239 200.171 87.4
Lavandería 0.06 25.239 200.171 87.4
Alimentación 0.06 25.236 199.994 87.4
Agua Caliente 0.06 25.233 199.795 87.4
Calefacción 0.07 31.724 303.186 89.5
Tabla 20. Ahorro energético
8.3.1.2. Cálculo de espesor del aislante desde el punto de vista económico.
Al observar la
Tabla 20 y precisar los buenos resultados que tienen las cañerías que se
encuentran cubiertas por material aislante, la lógica tiende suponer que contra mayor
espesor de aislante se utilice, menores serán las pérdidas de calor a lo largo de la red de
vapor. Pero esto se ve afecto en cuanto a la economía, dado que contra más aislante se
41
utilice más dinero debe invertirse, por lo tanto la idea es encontrar el espesor optimo con
el fin de minimizar las pérdidas de calor y la inversión a realizar.
Utilizando el procedimiento realizado anteriormente se formula una planilla (
Tabla 21) en la cual se varía el espesor del aislante con el propósito de conocer
cómo afecta a la perdida de calor en la red de vapor.
42
Área de Consumo
Espesor [m]
Perdida de calor (W/m)
Ahorro Energía
(%)
red principal
0.05 48.1654 87.61
0.06 42.9010 88.97
0.07 38.9968 89.97
0.08 35.9764 90.75
009 33.5636 91.37
Esterilización
0.025 40.4381 79.80
0.04 31.1465 84.44
0.05 27.6870 86.17
0.06 25.2386 87.39
Lavandería
0.025 40.4381 79.80
0.04 31.1465 84.44
0.05 27.6870 86.17
0.06 25.2386 87.39
Alimentación
0.025 40.4309 79.78
0.04 31.1422 84.43
0.05 27.6836 86.16
0.06 25.2358 87.38
Agua Caliente
0.025 40.4227 79.77
0.04 31.1374 84.42
0.05 27.6798 86.15
0.06 25.2326 87.37
Calefacción
0.025 59.2733 80.45
0.04 44.1357 85.44
0.05 38.5548 87.28
0.06 34.6382 88.58
0.07 31.7237 89.54
0.08 29.4609 90.28
Tabla 21. Variación del espesor del aislante y % ahorro de energía
43
En la
Tabla 21, se puede ver gráficamente el comportamiento que tiene la variación del
espesor del aislante en comparación con el porcentaje de ahorro de energía. De allí se
observa que a medida que el espesor del aislante aumenta en su recta final, el porcentaje
de ahorro de energía llega a su límite paulatinamente, ósea la trayectoria tiende a una
recta tangente horizontal, lo cual indica que por más que se continúe aumentando el
espesor del aislante, no será mucho más el % de energía que se economizará, por el
contrario se invertirá dinero innecesariamente.
Si se estudia la relación existente entre el espesor del aislante y la perdida de calor
por metro lineal en la red de vapor, sucede algo similar a lo que ocurre entre el espesor
del aislante y el porcentaje de ahorro de energía. Como se aprecia en
Tabla 22, a medida que el espesor aumenta la perdida de calor se reduce
considerablemente, pero esto ocurre hasta cierto límite, dado que en la recta final por más
que aumente el espesor, las cantidades de perdida de calor son muy bajas, prácticamente
constantes.
Gráficos del espesor del aislante v/s las perdidas de calor (Según el área de consumo)
44
Tabla 22.Espesor de aislante v/s pérdida de calor para cada consumo
45
Al conocer el comportamiento del espesor del aislante frente a la perdida de calor
y el porcentaje de ahorro de energía, se seleccionan de la
Tabla 22 aquellos espesores óptimos en base a las recomendaciones entregadas
por él catálogo (Fiber Glass, Colombia S.A, 1992). En la
Tabla 23 se resume la información detalladamente.
Área de consumo
Espesor aislante (m)
q/L (W/m) Ahorro energético
(%)
Red principal 0.07 38.9968 89.97
Esterilización 0.06 25.2386 87.39
Lavandería 0.06 25.2386 87.39
Alimentación 0.06 25.2358 87.38
Agua Caliente 0.06 25.2326 87.37
Calefacción 0.06 34.6382 88.58
Tabla 23.Ahorro energético
8.3.2. Costo comercial del aislante.
Se utiliza una planilla de precios (anexo x) del producto Aíslan lana mineral
perteneciente a la Volcán S.A (Volcan, 2009), con el fin de conocer el precio por metro
lineal y espesores disponibles del producto. Con estos valores se presenta la
Tabla 24 la inversión económica que debe realizarse para contar con el aislante
óptimo requerido.
Área de consumo
Espesor aislante
Diámetro de Caño de lana
mineral. (pulg)
Costo ($/m)
Largo (m)
Costo de inversión
($)
Red principal 0.07 3 ½ 15611.11 3 46833.3
Esterilización 0.06 1 ¼ 7988.89 22 175755.6
Lavandería 0.06 1 ¼ 7988.89 35 279611.1
Alimentación 0.06 1 ¼ 7988.89 15 119833.3
Agua Caliente 0.06 1 ¼ 7988.89 40 319555.6
Calefacción 0.06 2 ½ 10382.22 18 186880.0 Costo Total 1128468.89
Tabla 24.Cálculo costo de inversión en aislación.
De la
Tabla 24., se obtiene que el costo total que se debe invertir para colocar aislante en la red
de vapor sea de $ 1128468.89. Mientras que el costo de energía disipada al ambiente es
posible calcularlo mediante la Ecuación 21.
46
Ecuación 21.
Dónde:
q/L: Perdida de calor. (W/m).
L: Largo de la cañería. (m).
P: Costo del combustible, 112 ($/kgm).
t: tiempo de operación, 8640 (h/año).
H: Poder calorífico del combustible, 3800 (kcal/kgm) = 4419.4 (W*h/kgm).
e: Eficiencia de conversión, 0.8.
Utilizando la Ecuación 21., y los datos conocidos, se calcula el costo de la energía
disipada al ambiente cuando la tubería se encuentra con aislante y sin él. Estos
resultados se presentan en la Tabla 25.
Área de consumo
q/L (c/aislación)
Largo (m)
q/L (s/ aislación)
Costo energía disipada amb. (c/aislación) $
Costo energía disipada amb. (s/aislación) $
Red principal 38.9968 3 388.823 35222.59 351191.78
Esterilización 25.2386 22 200.171 167170.28 1325851.82
Lavandería 25.2386 35 200.171 265952.73 2109309.72
Alimentación 25.2358 15 199.994 113967.09 903190.53
Agua Caliente 25.2326 40 199.795 303873.72 2406111.55
Calefacción 34.6382 18 303.186 187714,99 1643057.64
Total 1073901.43 8738713.07
Tabla 25. Costos energía disipada.
47
8.4. Sistema de agua caliente sanitaria
Es importante destacar que el sistema de agua caliente sanitaria es aquel que
distribuye agua de consumo sometida a algún tratamiento de calentamiento, con el
objetivo de reducir la potencia necesaria en la producción y al mismo tiempo obtener
funcionamientos más homogéneos de instalación, básicamente lo que hace es utilizar el
agua acumulada en las horas de mayor demanda del establecimiento, solicitándose una
potencia inferior a la del sistema de producción.
Se debe tener en cuenta los componentes básicos de las instalaciones de ACS los
cuales son:
Intercambiadores
Depósitos
Válvulas de regulación
Bombas de circulación
Contadores
Tuberías
Aislamiento térmico
En la Figura 9, se aprecia las conexiones necesarias en un acumulador
Figura 9. Acumulador con serpentín.
48
8.4.1. Producción instantánea
Para comenzar, desde un principio se estableció el consumo de vapor que se
requiere por cada área, en esta parte se desarrollará un sistema de ACS, en el consumo
equivale a 280 kgv/h, por lo tanto se debe comprobar si el sistema generador de vapor
entrega la potencia para un consumo instantáneo de 550 litros/min.
A continuación se calcula la entalpia, en donde se asume que entra vapor y sale
agua del intercambiador de calor, para ello se debe considerar la presión de trabajo la
cual es 8 kg/cm2, sin embargo existen pérdidas de carga regulares y singulares, las cuales
fueron calculadas anteriormente, por lo tanto se considera la perdida de carga total desde
la caldera hasta el manifold (Red principal), posteriormente también se considera la
perdida de carga desde cuando comienza la distribución de vapor, hasta el área de
consumo.
A continuación se realizan los cálculos con el propósito de determinar si se
satisface el consumo instantáneo, o se debe contar con un acumulador de agua sanitaria.
Más adelante en los cálculos térmicos se define la Ecuación 24, por lo tanto se
calculará el calor con el cual se dispone, entonces:
Para el vapor: A una presión de entrada
La presión de entrada equivale a:
⁄ ⁄
Por lo tanto las tablas termodinámicas entregan una entalpia hg = 660.53 kcal/kg
Para el agua: A una presión de entrada Pentrada = 7.73 kg/cm2 la entalpia del agua es hf =
169.83 kcal/kg.
Posteriormente se obtiene el calor disponible remplazando en la Ecuación 24
⁄ ⁄
⁄
Luego se emplea la Ecuación 22, para calcular la cantidad de agua que se puede
calentar asumiendo que la temperatura que ingresa al acumulador es de 15°C, y la
temperatura confort de salida de 42°C:
Ecuación 22.
49
Dónde: : Flujo másico de agua en (kg/h).
cp: Calor especifico del agua en (kcal/kg°C)
: Variación de temperatura en (°C).
El volumen de agua por hora que se puede calentar para una variación de
temperatura de 27°C es de:
⁄
⁄
⁄
Suponiendo que 1 kg de agua es 1 litro de agua se asume:
⁄
Considerando que a la hora de mayor demanda el consumo tiene una duración
aproximada de 5 minutos:
⁄
Se compara con el consumo pic, equivalente a:
⁄
Entonces se puede concluir que los 280 kgv/h no satisfacen el consumo
instantáneo, por lo tanto se seleccionará un acumulador con una capacidad aproximada
de 2500 lt en adelante, finalmente se tomó la decisión utilizar un estanque de 3000 litros.
8.4.2. Selección del acumulador
Una vez comprobado que se requiere de un acumulador de agua sanitaria para
poder satisfacer el consumo instantáneo de agua caliente, por lo tanto se debe calcular el
tiempo que se necesita mantener funcionando el intercambiador de calor para calentar un
volumen de agua de 3000 litros, como se muestra a continuación:
50
Remplazando se obtiene:
⁄
⁄
Por lo tanto este es el tiempo de recuperación una vez terminado el tiempo de
mayor demanda de agua caliente.
En consecuencia una vez que el sistema deja de funcionar en su mayor demanda
se debe esperar un periodo aproximado de 35 min para que el sistema de acumulado se
recupere, por lo tanto se dispone de 3000 lt, más lo que se genera instantáneamente (lo
que entrega el vapor) que es de 422.4 lt, se concluye que se cuenta con una capacidad
de 3422.4 lt, lo cual cubre el requerimiento establecido del consumo instantáneo de 550
lt/min.
Otro requerimiento era considerar un acumulado de 9000 lt/día, por lo tanto este
requerimiento se cumple al suponer la siguiente situación:
Si se consumen 2750 lt, el tiempo en que se recupera este volumen es de 35 min,
según la Figura 10, esta situación ocurre 2 veces por día, por lo tanto habría una
recuperación de 5500 lt/día, por otro lado restan 3500 lt, por esto el acumulado sumaria
9000lt/día.
Figura 10. Consumo de agua vs tiempo.
De la imagen el color rojo oscuro representa la mayor demanda en un tiempo de 5
minutos 2 veces por día, el color azul representa el consumo durante todo el resto del dia.
Por otro lado sabiendo que es un hospital y es de vital importancia mantener agua
caliente, se debe considerar una probabilidad de que el acumulador falle lo que se
traduciría en un gran problema ya que no existirá suministro de agua, por ello se recurre a
la solución de ocupar más de un acumulador de agua caliente conectados en serie.
0
500
1000
1500
2000
2500
3000
Co
nsu
mo
de
agu
a
Tiempo (1 día)
Consumo de agua vs tiempo
51
En consecuencia se seleccionaron del catálogo (O.M.B.), dos acumuladores con
intercambiador fijo, de capacidad 1500 lt.
Del catálogo se distinguen 3 series de acumuladores, sin entrar en mucho detalle
se seleccionó un acumulador de serie TSF ya que estos trabajan con una presión máxima
de 17 bar, y temperatura máxima de trabajo 100°C.
8.4.3. Características técnicas del acumulador
Son fabricados con chapas de calidad y procesos automáticos de soldadura en
atmosfera controlada.
Tratamiento anticorrosivo interno con revestimiento de endurecimiento térmico con
P.T.F.E. con aplicación electrostática y cocimiento en horno a temperatura aproximada de
200°C, barnizado externo en polvo.
En virtud de la posición del serpentín en la parte inferior del acumulador, se
mantiene a una temperatura de agua sanitaria que impide toda formación de bacterias,
especialmente la “legionela”.
8.4.4. Composición del suministro
Acumulador con intercambiador a espiral fijo, aislamiento en poliuretano rígido,
acabado externo en PVC, con cremallera, protección anódica con control externo de
desgaste, con brida para conexión de intercambiador suplementaria o inspección
300/380. Bajo demanda cuadro de mando y control.
8.4.5. Acumulador de 1500 litros
En la
Tabla 26 y Figura 11 se muestran las características de un acumulador de 1500 litros
Capacidad (Litros)
D (mm.)
H (mm.)
Superficie de interc. mq TSF
FL TSF
Producción de agua (lts/h) TSF
1500 1.140 2380 6 380/300 7700
Tabla 26. Características del acumulador de 1500 litros.
52
Figura 11. Partes fundamentales del acumulador.
8.5. Calefacción recinto hospitalario
Como se mencionó anteriormente, uno de los requerimientos del cliente es la
calefacción el hospital. Para satisfacer esta necesidad, se dispone de ⁄ , los
cuales se utilizarán en un intercambiador de calor, con el fin de proporcionar agua de
calefacción a la temperatura necesaria.
El grupo de trabajo deberá seleccionar un intercambiador de calor para una red de
radiadores de agua caliente marca Ocean. Estos radiadores poseen las siguientes
condiciones de uso:
8.5.1. Condiciones de cálculo
Su presión de trabajo es de , las emisiones caloríficas señaladas son en
base a una temperatura de entrada de 90ºC y una temperatura de salida de 70ºC, lo que
supone una temperatura media de 80ºC en el interior del radiador. La temperatura
ambiente se considera de 20ºC. Por lo tanto, se considera un salto térmico de 60Cº (80-
20). Datos extraídos de: “Catálogo Ocean”.
8.5.2. Cálculo y selección intercambiador de calor para calefacción
Se dispone de ⁄ para la calefacción del recinto hospitalario.
Suponiendo que este vapor se encuentre a una presión manométrica antes de
entrar al intercambiador de calor la energía aportada es:
La entalpia del vapor a una presión absoluta de es:
⁄
La potencia térmica aportada por el vapor es:
53
Haciendo el supuesto que todo el vapor entregado al intercambiador de calor, se
transforma en líquido condensado una vez que sale de éste.
Dónde:
Cantidad de vapor disponible para calefacción.
[
] [
] [
]
[
]
[
]
[
]
8.5.3. Flujo de agua caliente para calefacción.
Para poder calcular el flujo de agua caliente dentro de los radiadores. Se hará el
supuesto que todo el calor entregado por el vapor dentro del intercambiador de calor es
absorbido por el agua caliente que se utilizará para calefacción.
Y mediante la siguiente ecuación se procedió a encontrar el flujo de agua caliente
que debe circular por los radiadores y el intercambiador de calor.
Donde:
Datos:
[
⁄ ]
[ ⁄ ]
54
[ ⁄ ]
[ ⁄ ]
[
]
Por lo tanto, se seleccionara un intercambiador de calor capaz de generar una
potencia térmica de más de , que tenga un presión de trabajo superior a
y que tenga una caudal secundario de ⁄ .
8.6. Área de calefacción
Para determinar el área de calefacción del hospital. Se hará el supuesto, que el
calor absorbido mediante el intercambiador de calor es igual al calor generado por los
radiadores, debido a que se desconocen las longitudes de intercambiador hacia los
radiadores.
8.6.1. Balance de energía
Como se mencionó anteriormente el recinto hospitalario deberá estar a una
temperatura confort de y para mantener una temperatura constante dentro del
hospital. Las pérdidas de calor ocasionadas por las paredes del hospital deben ser igual al
calor generado por los radiadores.
Mediante estos supuestos es posible calcular la superficie de calefacción máxima
que debe poseer el recinto hospitalario con la siguiente ecuación:
Dónde:
(Se utilizara una carga térmica de ⁄ .)
55
[ ⁄]
[ ⁄ ]
Por lo tanto la superficie de calefacción que debe poseer el hospital, no debe ser
mayor a . Para mantener una temperatura constante de con un consumo
máximo de ⁄ para el área de calefacción.
56
9. CÁLCULO TÉRMICO
Para poder continuar con el diseño de la caldera, se utilizará el Manual de
Instalaciones Térmicas (Paredes Cinfuentes, 1980), ya que aquí se aplica una
metodología muy completa para el diseño, sin embargo los cálculos realizados serán de
una considerable complejidad, ya que existen valores difíciles de encontrar y calcular,
siendo estos necesarios para un buen diseño. Cabe destacar que el grupo de trabajo se
enfoca en el cálculo térmico mientras este no afecte al cálculo de redes de vapor.
9.1. Cálculo del hogar
9.1.1. Consumo de combustible (Cc)
El consumo de combustible se define como:
Ecuación 23.
Dónde: Q: Energía a entregar en (kcal/hr).
n: Rendimiento de la caldera.
Pcip.b.s.: Poder calorífico a presión constante en base seca (kcal/kgcomb).
Por lo tanto lo primero que se necesita es obtener el calor que se debe suministrar
para satisfacer los consumos y se calcula con la siguiente formula:
Ecuación 24.
Dónde: ṁ: Flujo másico de vapor en (kgv/h).
∆h: Variación de entalpia en (kcal/kg).
Por lo tanto se debe encontrar la entalpia del vapor y la del agua, además se
conoce la presión de trabajo siendo esta P = 7.0 kg/cm2, sin embargo esta presión es
manométrica, por lo tanto se debe sumar la presión atmosférica para conocer la presión
absoluta.
La temperatura de entrada del agua debe estar en un rango de 60°C hasta 80°C,
ya que si es inferior a 60°C, se debe emplear más calor para evaporar el agua, y si es
mayor a 80° el agua se evapora de inmediato. Por lo tanto se decidió utilizar una
57
temperatura de 70°C, luego se emplean las tablas termodinámicas para poder encontrar
la entalpia del fluido y del gas.
Para el vapor: A una presión de entrada de P = 8.0 kg/cm2, la entalpia del gas es
hg = 660.95 kcal/kg.
Para el agua: A una temperatura de T = 70°C la entalpia del agua es hf = 69.927
kcal/kg.
La producción de vapor necesaria para abastecer las dependencias es de 3000
kgv/hr, por lo tanto se remplaza en la Ecuación 24, donde se obtiene el calor necesario y
arroja un valor:
Considerando un rendimiento esperado de la caldera de un 70% y además se
conoce el poder calorífico del chip de un Pcip.b.s = 3800 kcal/kg se remplaza en la
Ecuación 23.
9.1.2. Volumen mínimo de la cámara de combustión
Para poder encontrar el volumen de la cámara de combustión se debe considerar
tres factores: “El tipo de hogar, combustible y la potencia calorífica”.
Para ello se emplea la siguiente formula:
Ecuación 25.
Dónde: FSC: Factor de sobrecarga (adimensional).
n: Rendimiento de la caldera (adimensional).
Qv: Carga calórica de la cámara de combustión en (kcal/hm3).
Considerando que el flujo de entrada del combustible es de forma mecánica y a su
vez la parrilla posee un sistema que dosifica el material, se puede asegurar que se tiene
un mayor control sobre el proceso de ingreso del material dentro de la cámara de
combustión. Por otro lado se debe destacar que el material posee un porcentaje de
humedad bastante alto, por lo tanto el factor de sobrecarga se estimó en:
58
Por otro lado, un valor muy complejo de encontrar es la carga calórica del
combustible (Qv), utilizando la ayuda de expertos en el tema, se dio la siguiente
información:
El valor de la intensidad del fuego depende del hogar, por lo tanto:
Si el combustible es quemado en un hogar seco, la carga calórica varía
aproximadamente entre Qv = [90000 kcal/hm3 – 107000 kcal/hm3)].
Si el combustible es quemado en un hogar húmedo, la carga calórica es
aproximadamente Qv = 220000 kcal/hm3 y si el chip se encuentra demasiado
húmedo el Qv = 190000 kcal/hm3.
Por lo tanto se tomó la decisión de diseñar un ante-hogar seco con ladrillos
refractarios, ya que este sistema permite una adecuada combustión debido a que posee
características especiales por ser un material cerámico. El ante-hogar estará directamente
conectado con el hogar de la caldera, por lo tanto se deben distribuir los volúmenes lo que
a su vez afectará la intensidad del fuego.
Para la distribución del volumen del hogar y ante-hogar se tomó como referencia
en un 60% para el ante-hogar y de un 40% para el hogar.
La carga calorífica queda de la siguiente manera:
⁄ ⁄ ⁄
Una vez identificados todos los valores requeridos para calcular el volumen
mínimo del hogar se procede a remplazar en la Ecuación 25.
Como se dijo anteriormente el ante-hogar tendrá un 30% del volumen total, y el
70% restante será para el hogar:
9.1.3. Ciclo de carga de combustible
Se estimará el tiempo en el que tolva debe descargar el chip, en base al consumo
de combustible y la densidad de este.
La densidad del Eucalipus Globulus se obtuvo teniendo en cuenta que el chip está
en base seca, por lo tanto se utiliza directamente la densidad de la madera, según
(Olmos, 2005), se realizó un estudio de la densidad del Eucaliptus Globulus con distintas
edades, el estudio arrojo que para un árbol que vive más de 10 años (rango de edad
utilizada para el chip) es aproximadamente de:
59
⁄
Por lo tanto se puede calcular el caudal de combustible que se debe realizar en
cada descarga:
Ecuación 26.
Dónde: Cc: Consumo de combustible en (kg/h).
Ρeg: Densidad del eucaliptus globulus en (kg/m3).
Por lo tanto si se remplaza arroja un valor de:
⁄
⁄ ⁄
9.2. Análisis de combustión
En los siguientes cálculos se dará a conocer la cantidad mínima de oxígeno y
dióxido de carbono necesario para la combustión, con el fin de obtener una combustión
perfecta ya que genera beneficios de rendimiento (menores pérdidas de energía) y no es
altamente contaminante.
También se determinará los coeficientes de los componentes de la combustión y
presiones parciales de los elementos.
Las diversas ecuaciones están extraídas y definidas en (Paredes Cinfuentes,
1980).
9.2.1. Construcción del diagrama de Ostwald
El diagrama de Ostwald facilita una relación entre el aire teórico y aire real
utilizado, el cual permite obtener la cantidad de oxígeno y dióxido de carbono en la
combustión.
Para construir el diagrama de Ostwald se debe conocer la composición química
del combustible, que en este caso corresponde al chip de madera extraído de (Pulp &
Paper Resource & Information Site, 2013).
60
Composición química de la madera utilizada para chip
Carbono 0.5
Hidrogeno 0.065
Oxigeno 0.42
Nitrógeno 0.005
Ceniza 0.0095
Azufre 0.0005
Tabla 27. Composición química del chip de madera.
A continuación se define la nomenclatura a utilizar.
Símbolo Elemento
C Carbono
H Hidrogeno
O Oxígeno
N Nitrógeno
S Azufre
Tabla 28. Simbología de los elementos químicos de la madera.
9.2.2. Cálculo de aire teórico
En este caso se considera combustión ideal ( , para obtener los valores de
oxígeno y dióxido de carbono.
Para poder realizar el cálculo del aire teórico se emplea la ecuación de aire teórico
que se define a continuación:
(
) (
)
Ecuación 27.
Dónde: CO2: Dióxido de carbono.
CO: Monóxido de carbono.
O2: Oxigeno.
K1: Se define a continuación.
K2: Se define a continuación.
61
(
)
Con los valores de la
Tabla 27 se calcula los coeficientes K1 y K2, lo que arroja los siguientes valores:
A continuación se genera las intersecciones de la recta que representa al aire
teórico con los ejes cartesianos utilizando la Ecuación 27. , la cual considera . Se
considera al eje de las abscisas como cantidad de y al eje de las ordenadas como
cantidad de .
Para:
Se obtiene:
Para:
Se obtiene:
Luego se procede a tabular y graficar los puntos anteriores como se muestra en la
Tabla 29.
Tabla 29. Intersección con los ejes cartesianos para aire teórico.
La ecuación de la recta del aire teórico es como se
aprecia en la Figura 12.
62
Figura 12. Para aire teórico CO2 vs O2.
9.2.3. Cálculo del aire real
Ahora se procederá a encontrar la recta del aire real donde será necesario
considerar un exceso de aire del 20%.
Se emplea la Ecuación 28 para el cálculo del aire real como se muestra a
continuación:
Ecuación 28.
Dónde: CO2: Dióxido de carbono.
CO: Monóxido de carbono.
O2: Oxigeno.
K1: Definida anteriormente.
K2: Definida anteriormente.
i: Exceso de aire.
ast: se define a continuación.
Remplazando los valores se procede a calcular ast como se muestra
anteriormente y el exceso de aire se define a partir de lo que se encuentra en (Paredes
Cinfuentes, 1980), donde para combustibles de con alto porcentaje de humedad se debe
escoger un valor sobre un 55%.
y = -0.9433x + 0.1982
-0,05
0
0,05
0,1
0,15
0,2
0,25
0 0,05 0,1 0,15 0,2 0,25
CO
2
O2
Aire teórico
63
A continuación se genera las intersecciones de la recta que representa al aire real
con los ejes cartesianos utilizando la Ecuación 28.
Para:
Se obtiene:
Para:
Se obtiene:
Luego se procede a tabular y graficar los puntos anteriores como se muestra en
Tabla 30.
Tabla 30. Intersección con los ejes cartesianos para aire real.
La ecuación de la recta del aire real es como se aprecia
en la Figura 13.
Figura 13. Para aire real CO2 vs O2.
y = -2.3002x + 0.3002
0
0,05
0,1
0,15
0,2
0,25
0,3
0,35
0 0,02 0,04 0,06 0,08 0,1 0,12 0,14
CO
2
O2
Aire real
64
Posteriormente se resuelve la intersección de las rectas para encontrar las
concentraciones volumétricas de los componentes de la combustión como se ve en la
Figura 14.
Figura 14. Intersección de las ecuaciones de aire.
Se utilizan las ecuaciones de la recta correspondientes al aire teórico y al aire real,
para luego resolver simultáneamente y llegar al siguiente resultado:
Componentes de la combustión
O2 0.07522
CO2 0.12722
CO 0
Tabla 31. Componentes de la combustión.
También se calculó los coeficientes de los componentes de la combustión de la
siguiente manera, (se utilizará para los cálculos de radiación).
(
)
(
)
0
0,05
0,1
0,15
0,2
0,25
0,3
0,35
0 0,05 0,1 0,15 0,2 0,25
CO
2
O2
Intersección del rectas
Aire real
Aire teórico
65
(
)
Donde aquí se aprecian fracciones molares de los componentes de los humos
secos.
Posteriormente los valores obtenidos son los siguientes:
Componentes de combustión
X 0.04169
Y 0
Z 0.02462
a 0.06947
Tabla 32. Componentes de combustión.
El exceso de aire en fracción decimal queda representado a continuación:
Ecuación 29.
Por lo tanto:
9.2.4. Presión parcial de los humos
Se debe encontrar las presiones parciales del dióxido de carbono y del agua
ya que son de interés para los cálculos de radiación.
El cálculo de la presión parcial se realiza con la Ecuación 30, como se muestra a
continuación:
Ecuación 30.
Dónde: Pi: Presión parcial del componente i.
ni/nt: Fracción del componente en moles.
Pt: Presión total (presión atmosférica).
Para el dióxido de carbono se calcula con la presión parcial con la Ecuación 31.
66
(
)
(
)
Ecuación 31.
Dónde: w: Porcentaje de humedad del chip.
C: Carbono.
S: Azufre.
H: Hidrogeno.
CO2: Dióxido de carbono.
Pt: Presión total.
Considerando w = 120 % (humedad), arroja un valor de:
Y para el caso del agua se obtiene
(
)
(
)
Con las variables definidas anteriormente se obtiene una presión parcial del agua
igual a:
Estos valores y , son necesarios para el cálculo de la emisividad que se
hará más adelante.
67
9.3. Cálculo de radiación en el hogar
Posterior a la combustión del chip en el ante-hogar, los humos calientes pasan al
hogar en donde entregan calor. En el hogar, el calor liberado por conducción y convección
son despreciables respecto al calor por radiación. (Paredes Cinfuentes, 1980)
El calor por radiación del hogar, aportará energía en la generación de vapor del
recinto hospitalario.
Para encontrar el calor por radiación, se realizará un análisis termodinámico de la
situación. Se hará un volumen de control sobre el hogar (cilindro abierto), al cual se
aplicará la primera ley de la termodinámica (balance de energía).
∑ ∑
Ecuación 32.
A continuación se definirá detalladamente cada flujo de calor que entra/sale del
volumen de control. Ecuación 33 y Ecuación 34.
Energía que entra al V.C.
El calor que ingresa al V.C corresponde al calor entregado por la combustión del
chip junto con el calor que lleva el chip y el aire a una determinada temperatura.
∑ ⏟
∫
⏟
∫
⏟
Ecuación 33.
Dónde: nc: Rendimiento de la combustión (adimensional).
Pcip.b.s.: Poder calorífico a presión constante en base seca en (kcal/kg).
r: Relación aire combustible.
t1: Temperatura de entrada del chip en (°C)
t2: Temperatura de entrada del aire en (°C)
Cp CHIP: Calor especifico del chip en (J/kg °K)
Cp AIRE: Calor especifico del aire en (J/kg °K)
68
Energía que sale del V.C.
Para la salida del V.C se contempla el calor liberado mediante radiación además
del calor que llevan los gases calientes.
∑
⏟
∑ ⏟
Ecuación 34.
Dónde: R: Calor por radiación en (kcal).
Cc: Consumo de combustible en (kg/h).
: Moles de cada gas producto de la combustión en (mol).
cgases Calor especifico de los gases en (J/kg K°).
Por lo tanto, aplicando el balance de energía anteriormente definido Ecuación 32 , se
llega a la siguiente expresión:
∫
∫
∑
Ecuación 35.
Los valores conocidos son los siguientes:
nc = 0.94 %.
Pcip.bs = 3800 kcal/kg.
Cc: 666.57 kg/h.
Al remplazar los valores conocidos, la Ecuación 35, queda así:
⁄
⁄ ∑
⁄
⁄ ∑
69
Para poder encontrar el calor por radiación se emplea el método de Mullikin, (Paredes
Cinfuentes, 1980) el cual se define por la Ecuación 36:
{[
]
[
]
}
Ecuación 36.
Dónde: K: Coeficiente de los factores de emisión de diferentes superficies.
(Adimensional).
Co: Constante de Stefan-Boltzmann en (kcal/hm2°K).
Sr: Superficie receptora efectiva de absorción unitaria y la temperatura
absoluta en contacto con el agua (m2).
Td: Temperatura absoluta de las paredes del hogar en (°C).
Ff: Factor que depende del porcentaje de la superficie de la cámara de
combustión que está en contacto con el agua y del tipo de combustible.
El método Mullikin supone lo siguiente:
K=1
Te=Tg (Temperatura gases del hogar)
Asumiendo que los dos errores se compensan mutuamente.
Se procede a calcular Sr el cual se define en la Ecuación 37.
∑
Ecuación 37.
Dónde: Sp: Superficie del hogar en contacto con el agua en (m2)
Fa =Coeficiente de reducción que contempla la disposición de los tubos.
Fc =Coeficiente de reducción que contempla la conductividad de la pared.
Fs =Coeficiente de reducción que contempla la capa de hollín en los tubos.
70
Remplazando en la Ecuación 36 se obtiene:
{[
]
[
]
}
Por lo tanto se realizará el cálculo de los factores Sp, Fa, Fc, Fs y Ff.
9.3.1. Cálculo Sp
Se define la superficie del hogar en contacto con el agua (Sp), como:
Dónde: r: Radio del hogar
L: Largo de hogar
Estos valores están establecidos y son equivalentes a:
r = 0.77 m
L = 5 m
Lo cual arroja el valor siguiente:
71
9.3.2. Cálculo del coeficiente de reducción que contempla la disposición de los
tubos (Fa).
Luego se calcula Fa, del cual se obtiene de la Figura 15, donde identifica la posición de
los tubos:
Figura 15. Coeficiente Fa
Se seleccionó la forma A, ya que minimiza el espacio asignado a los tubos además
de una menor reducción de la radiación respecto a las otras disposiciones.
.
Para entrar al grafico se debe conocer la distancia de centro a centro de cada
tubo, de la figura se puede ver que:
Dónde: t: Distancia de centro a centro de cada tubo.
d: Diámetro de la tubería.
El diámetro de la tubería se estableció anteriormente, siendo este un valor de
110.7 mm, por lo tanto:
72
Por lo tanto se puede encontrar el valor de Fa el cual es:
9.3.3. Cálculo del coeficiente de reducción que contempla la conductividad de la
pared (Fc).
Para encontrar Fc se considera la
Tabla 33 que se muestra a continuación:
Se escogió el valor correspondiente a tubos descubiertos, ya que estos permiten
una mayor transferencia de calor al agua que se vaporizará.
Valores del factor Fc
Situación Valor
Tubos descubiertos 1
Tubos con aletas 0.95
Tubos recubiertos de bloques desnudos o aletas laterales 0.7
Tubos recubiertos con bloques refractarios o cubierto completamente con aletas 0.25 a 0.4
Tabla 33. Factor Fc
Por lo tanto se considera un tubo descubierto y el valor es:
9.3.4. Cálculo del coeficiente de reducción que contempla la capa de hollín en los
tubos (Fs).
Se escoge el valor de para una capa de ceniza de 10 mm, a partir de la
experiencia de los docentes a cargo del proyecto, este valor se muestra en la
Tabla 34.
73
Valores del factor Fs
Capa de ceniza en el interior de los tubos Valor
2 a 3 mm 0.95
10 mm 0.8
20 mm 0.6
Tabla 34. Factor Fs
Por lo tanto el valor es de:
9.3.5. Cálculo del factor que depende del porcentaje de la superficie de la cámara
de combustión que está en contacto con el agua y del tipo de combustible
(Ff).
Para encontrar el valor de Ff se debe ingresar la figura como se muestra a
continuación:
Figura 16.Factor Ff
El grafico relaciona el Ff, versus Sp/St, donde se desconoce del valor de St ,
calculándose con la siguiente formula:
74
Dónde: A = Área transversal del hogar.
El área transversal del hogar es:
Lo que arroja un valor:
Por lo tanto se encuentra el siguiente valor:
El valor de Ff es:
9.3.6. Cálculo temperatura de los gases del hogar
Finalmente se requiere el valor de la temperatura gases del hogar ( ) generada
por los gases.
Ya que se debe obtener vapor saturado de la caldera a una presión de trabajo de
8.0 kg/cm2 lo que significa una temperatura de 169.8°C, a la cual se agregan 50°C (por
recomendación de expertos). Por lo tanto la temperatura en las paredes del hogar ( ) es
de 492.95°K. Luego se remplaza en la Ecuación 36 los valores obtenidos anteriormente:
{[
]
[
]
}
{[
]
}
Luego se remplaza lo anteriormente realizado en la Ecuación 35.
{[
]
}
∑
En la
Tabla 35, se muestra un extracto de la hoja de cálculo de Microsoft Excel, en la cual se
desarrolla el cálculo del calor sensible de los gases de combustión y el valor tabulado a
partir de la composición química del chip. Para encontrar la temperatura de los gases en
75
el hogar se debe encontrar la temperatura a la cual la diferencia mostrada a continuación
es cero.
∑ ∫
∑ ∫
Temperatura (°C) R (kcal/h) R/Cc (kcal/kg) ∑ ∫
∑ ∫
Diferencia
700 715913.5482 1074.026056 2497.973944 2399 99
710 747903.093 1122.017332 2449.982668 2437 13
720 780883.809 1171.49558 2400.50442 2475 -74
730 814875.9614 1222.491203 2349.508797 2513 -163
Tabla 35. Cálculo de temperatura del hogar 1
Luego se procede a realizar una interpolación lineal mediante una serie en
Microsoft Excel entre 710°C y 720°C, ya que es ahí donde la diferencia del calor sensible
de los gases cambia de signo. En la
Tabla 36, se puede apreciar el valor exacto de la temperatura de los gases.
Temperatura (°C) R (kcal/h) R/Cc (kcal/kg) ∑ ∫
∑ ∫
Diferencia
711 751156.2292 1126.897744 2445.10226 2440.475246 5
711.5 752786.5203 1129.343535 2442.65646 2442.372655 0
712 754419.297 1131.793055 2440.20694 2444.270064 -4
Tabla 36. Cálculo de temperatura del hogar 2
Por lo tanto la temperatura promedio de los gases es de 711.5 °C lo que arroja un
calor por radiación dentro del hogar equivalente a:
Esta cantidad de calor corresponde al 42.45% del necesario para abastecer al
reciento por lo que aún falta generar
, a partir del calor sensible de los
gases restante que es
, esto se hará por medio de un determinado número de
pasos.
76
9.4. Cálculo del primer paso de tubos
A continuación se realizaran los cálculos con respecto al calor que entregan los
tubos con humos al agua dentro de la caldera. En este punto se considerarán los calores
entregados por radiación y convección. El calor por conducción es despreciable frente al
calor por radiación y convección.
9.4.1. Calor por radiación
Se define el calor por radiación en la Ecuación 38.
([
]
[
]
)
Ecuación 38.
Dónde: ε: Coeficiente de emisividad de la pared. (Adimensional)
SC: Superficie total por donde irradia calor. (m2)
C0: Constante de Steffan – Boltzmann. (Kcal/hm2°K)
Tmg: Temperatura media de los gases. (°C)
Ts: Temperatura superficie de los tubos. (°C)
εmg,Tmg: Emisividad del gas a temperatura media de los gases Tmg.
(Adimensional)
εs,Ts: Emisividad del gas a temperatura en superficie Ts. (Adimensional)
El coeficiente de emisividad se considera como ε = 0.9 por recomendaciones de
expertos en el tema.
La temperatura superficial de los tubos es equivalente a la temperatura de las
paredes del hogar por lo tanto Td = Ts, siendo así Ts = 219.8 °C.
77
9.4.2. Cálculo de superficie de calefacción (SC).
Se debe conocer la superficie por la cual es libera el calor desde los tubos hacia el
agua, por cual la superficie de calefacción considera el perímetro total. La expresión de lo
anterior es:
Ecuación 39.
Dónde: di: Diámetro interno.
Ltubos: Largo de los tubos.
Ntubos: Número de tubos.
Los valores conocidos son los siguientes:
di = 0.1107 m
Ltubos = 6 m
Reemplazando estos valores en la Ecuación 39. , queda de la siguiente manera:
9.4.3. Cálculo de la emisividad de los gases
Ecuación 40.
Dónde: : Emisividad total de un gas a una temperatura T.
: Factor de corrección de presión para la emisividad de H2O.
: Emisividad del H2O a una presión total de 1 atm.
: Factor de corrección de presión para la emisividad de CO2.
: Emisividad del CO2 a una presión total de 1 atm.
: Valor de corrección
Todos los valores anteriores son adimensionales.
78
El valor de corrección ( ), se hará cero por el alto nivel de aproximación.
Como se aprecia en la Ecuación 40., la emisividad debe ser calculada para la
temperatura media de los gases (Tmg) y la temperatura superficial de los tubos (Ts) este
último valor será constante en la ecuación, pero sin embargo el primero cambiará en cada
iteración.
De la manera explicada anteriormente se precisa que se digitalizarán las gráficas
respectivas utilizando el software Engauge 4.1 y se obtendrán las funciones
correspondientes mediante una interpolación bicúbica por su alto nivel de precisión
mediante el software Mathcad Prime 2.0.
Para , con los siguientes valores de entrada (determinados anteriormente)
=219.8 °C
=0.1 atm
=0.23 atm
=0.09 m
Entonces se obtiene la siguiente emisividad
Reemplazando los valores calculados en la Ecuación 38., se llega a
([
]
[
]
)
([
]
)
9.4.4. Calor por conducción
Se define el calor por convección en la Ecuación 41.
Ecuación 41.
Dónde: = Factor de propiedad de los gases (Adimensional).
= Velocidad de los gases (m/s).
Las demás variables ya son conocidas
79
9.4.5. Cálculo de
La velocidad de los gases se define en la Ecuación 42.
Ecuación 42.
Dónde: : Caudal de los humos. (m3/s)
: Área transversal total de los tubos (m2)
A continuación se define el área transversal total (las variables ya son conocidas
con anterioridad)
Ecuación 43.
El caudal de los humos ( ) se define como:
Ecuación 44.
Dónde: : Cantidad de moles de los componentes del combustible
El resto de las variables ya son conocidas.
Además se define de la siguiente manera:
(
) (
) (
)
Ecuación 45.
Reemplazando lo calculado en la
Tabla 32, en la Ecuación 45. , se obtiene.
80
El coeficiente , es función de , por lo cual se dejará sin calcular por el
momento y se interpolará en el software Mathcad Prime 2.0 para ser utilizado en cada
temperatura.
Reemplazando lo calculado anteriormente en la Ecuación 42. , se obtiene:
Ahora se procederá a reemplazar en la Ecuación 41.
( ( ) )
( ( ) )
Como vemos el calor por convección queda en función de los número de tubos y
de la temperatura media de los gases, al igual que el calor por radiación.
Para realizar el cálculo correspondiente al primer paso, se utilizará el mismo
criterio utilizado para encontrar la temperatura del hogar (diferencia mínima de entalpías),
para lo cual se aplicara un volumen de control a un tubo que simule al total de tubos del
primer paso.
En la imagen se aprecia que los humos tienen una determinada temperatura de
entrada y una temperatura de salida del paso . En los extremos los humos se
caracterizan por llevar un determinado calor sensible o entalpía. Aplicando la primera ley
de la termodinámica se llega a la Ecuación 46.
Ecuación 46.
Donde:
: Entalpía a la que salen los humos del VC.
: Entalpía a la que entran los humos del VC.
: Calor absorbido durante el paso por el VC.
Como se dijo anteriormente, en el paso por los tubos, solo se cuenta con radiación
y convección como métodos de transferencia de calor, por lo que la Ecuación 46., queda:
81
Al igual que el cálculo de la temperatura de los gases en el hogar, el calor sensible
en los extremos es función de la temperatura de entrada y salida del paso,
respectivamente. Así, que cambiarán continuamente.
Como se conoce la temperatura de los gases en el hogar, se asumirá una
expansión de los gases antes de entrar al primer paso, lo que trae una disminución de
temperatura que se entenderá de 10 °C, por lo tanto la temperatura de entrada al primer
paso es de 701.5 °C.
Al tener las ecuaciones ya definidas se debe comenzar con el proceso iterativo, en
el cual se buscará una diferencia mínima entre el , y la expresión del lado derecho.
Las variables de entrada son las siguientes , , , y , por lo cual al
menos cuatro de estas deben ser establecidas antes de comenzar a iterar los cálculos.
La será fija como se dijo anteriormente y tendrá un valor de 701.5 °C al igual
que la que será 219.8 °C.
, se definirá como el promedio entre la y , por lo que se deba libre el
.
Se realizó un algoritmo en Mathcad Prime 2.0 el cual permitirá determinar la , a
partir un número de tubos fijos mediante la asignación de valores a desde una
temperatura mínimamente inferior a hasta la que la diferencia de entalpías sea menor.
A continuación se presenta la última iteración.
82
(
)
9.4.6. Cálculo de rendimiento
Se define el , en la Ecuación 47.
Ecuación 47.
El , considerando el primer paso de tubos y el hogar corresponde a:
Y la diferencia entre el calor requerido por el reciento (Ecuación 24.) y el calor
neto considerando un rendimiento de la combustión de un 94% se muestra a
continuación.
Con lo anterior, se puede decir que el primer paso de tubos de la caldera, permite
llegar al consumo requerido por el hospital además de sobrepasarlo en caso de futuras
modificaciones a los diversos consumos.
El rendimiento es el siguiente:
Ecuación 48.
Donde las variables son conocidas de antemano, por lo que el rendimiento es el
siguiente:
83
10. BIBLIOGRAFÍA
(EREN), E. R. (2011). Manual Técnico "Diseño y cálculo de redes de vapor". I. Sorles.
LEÓN.
Chile, G. d. (12 de Mayo de 1984). Decreto supremo N°48 Aprueba Reglamento De
Calderas y Generadores De Vapor. Santiago, Región Metropoliana, Chile: Diario
Oficial.
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Thomson Learning.
Olmos, G. L. (12 de Septiembre de 2005). Variación de la composición química en albura
duramen y altura de madera pulpable de eucaliptus globulus proveniente de monte
alto y monte bajo. Santiago, Chile.
Ortega, C. (17 de Julio de 2009). Servicio de evaluación ambiental - Gobierno de chile.
Obtenido de https://www.e-seia.cl/archivos/CAPITULO_5.7_Calidad_de_Aguas.pdf
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Paredes Cinfuentes, M. (1980). Instalaciones Termicas. Valdivia, Valdivia, Chile.
Pedro Abarca Bahamondes, W. D. (14 de Noviembre de 2007). Asociación Chilena de
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http://www.achs.cl/portal/trabajadores/Capacitacion/Centro%20de%20Fichas/Pagi
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Pulp & Paper Resource & Information Site. (29 de 4 de 2013). PaperOnWeb. Obtenido de
http://www.paperonweb.com/wood.htm
SHIELD, C. D. (1973). Calderas, Tipos, Características y sus Funciones. México: Mc
Graw Hill.
Ullman, D. G. (2010). The Mechanical Desing Process. Mc Graw Hill.
84
11. ANEXOS
Anexo 1. Tabla termodinámica para vapor saturado.
Tabla 37. Características para el vapor saturado. 3
Anexo 2. Características de las tuberías.
Área de consumo
Dimensión comercial de cañería
[Pulg]
Información técnica
Diámetro
interior [mm]
Espesor de
pared [mm]
Coeficiente de rugosidad
absoluta [mm]
Red principal 3 ½ SCH 40 90,12 5,74 0,045
Esterilización 1 ¼ SCH 40 35,08 3,56 0,045
Lavandería 1 ¼ SCH 40 35,08 3,56 0,045
Alimentación 1 ¼ SCH 40 35,08 3,56 0,045
Agua Caliente 1 ¼ SCH 40 35,08 3,56 0,045
Calefacción 2 ½ SCH 40 62,68 5,16 0,045
Tabla 38. Características de las tuberías. Fuente: (Aceros Otero, 2012).
3 Extraído de la siguiente página:
http://www.frro.utn.edu.ar/repositorio/catedras/quimica/3_anio/integracion3/Tablas_de_vapor_de_agua.pdf
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Anexo 3. Diagrama de Moody
Figura 17. Diagrama de Moody.
Anexo 4. Factores de pérdida de carga singulares.
Tabla 39. Factores de pérdida de carga singulares4
4 Fuente: ((EREN), 2011)