trabajo práctico de diseño de sistema de vapor
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7/21/2019 Trabajo Práctico de Diseño de Sistema de Vapor
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Año 2015 Trabajo Práctico Diseño de un sistema de
distribución de vapor
Universidad Nacional de MisionesFacultad de Ciencias Exactas, Químicas y Naturales
Alumnos:
Diaz Daiana Jennifer IQ01659
Martín Simon IQ01701 Morza Juan Pablo IA00161
Rocholl Analia IA00232 Romero Agostina IA00228 Sonntag Müller Elizabeth IQ01689 Terlecki Dering Ivan IQ01571 Tibolla Andrea IA00241
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Problema
La planta en donde trabajo cuenta con una caldera cuya presión de trabajo
es de 12 bar r y una capacidad de carga de 5.000 kg/h. Actualmente, se ocupan
2.350 kg/h en diferentes sistemas.
Se necesita diseñar un sistema de distribución de vapor para abastecer a
un intercambiador de calor que tiene una superficie de calentamiento de 2
m2 y se necesita calentar un caudal de agua de 50 a 75ºC. Se conoce el valor U
que ha sido fijado en 1250 W/m2ºC, y el vapor puede ser suministrado a una
presión manométrica de 6 bar. Presión máxima admisible 7 bar r.
El sistema se encuentra ubicado a 15 metros del colector principal de
distribución de vapor a 8 bar y la derivación a 250 metros de la caldera.
Será importante mantener el control de la temperatura de salida del
agua en el intercambiador de calor.
El condensado se podrá enviar a una línea colectora de condensados que
pasa a 150 metros de distancia del sistema y a una altura de 3 metros, con unacontrapresión en la línea de 0,5 bar.
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1) Diagrama de tuberías e instrumentación (P&ID)
2) Cálculo de la carga de vapor que necesita el sistema
= ∗ ∗
A una P abs = 7bar, la temperatura del vapor es de aproximadamente 164,2 °C.
Con ésta podemos obtener la DMLT
= 1 − 2
− 2 − 1
=(5 0 − 7 5)°
164,2 − 75 164,2 − 50
= 101,2 °
Como ya tenemos, el área podemos calcular cuánto calor se transfiere en una
unidad de tiempo
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= 2 ∗ 1250
°∗ 101,2 °
= 253000
Ahora se puede calcular el vapor necesario, teniendo en cuenta que:
= ℎ ∗
λ= 2066 kJ/kg
ℎ =
=
253 /
2066 /∗
3600
ℎ
= , /
La carga de vapor que necesitará el sistema es de aproximadamente 441 kg/h
3) Calculo de flujo de vapor
Las pérdidas de carga se toman como 1% por cada 30 m. Como la distancia del
sistema al colector es de 15 m, la pérdida será del 0,5% y para calcular el nuevo
flujo de vapor se tiene en cuenta este porcentaje (0,005 expresado en tanto por 1):
ℎ = 440,85
ℎ∗ 1,005
= /
El flujo de vapor necesario, teniendo en cuenta las pérdidas de carga es de 443
kg/h
4) Prueba de factibilidad técnica
Como la diferencia entre la capacidad de carga de la planta y lo que se ocupa en
otros sistemas es:
5000 /ℎ – 2350 /ℎ = 2650 /ℎ
Y para este sistema son necesarios 443 kg/h de vapor, la cantidad de carga
disponible en la planta es más que suficiente para abastecer también a este
sistema
5) Calculo de la presión de vapor en el punto de derivación
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La longitud de la tubería hasta el punto de derivación es de 250m y teniendo en
cuenta una pérdida de carga de 0,3bar por cada 100m de tubería:
∆ = 250 ∗0,3
100 = 0,75
Entonces la presión de vapor en el punto de la derivación:
∆ó = 12 − ∆ = 12 − 0,75 = 11,25
6) Dimensionamiento de las tuberías
Para el cálculo vamos a utilizar el grafico para dimensionar tuberías de vapor
saturado y vapor recalentado de Spirax Sarco mediante el método de velocidad
máxima de vapor aceptable, que nosotros vamos a considerar de 25 m/s.
Considerando:
Temperatura de vapor en el punto de derivación (de tabla con la presión de
11,25 bar) = 188,95°C
Presión en el punto de derivación = 11,25 bar
Flujo másico total = 443 kg/h
Velocidad máxima aceptable = 25 m/s
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El diámetro de tubería que obtenemos es de 35mm aproximadamente.
7) Dimensionamiento de las tuberías de retorno de condensado
Primero vamos a calcular la línea desde la trampa de vapor hasta el tanque
colector de condensado para ello primero tenemos que tener en cuenta el
condensado que se separaría en esta primer trampa de vapor, que se produce por
lo general en la puesta en marcha del sistema. Para esto utilizamos la calculadora
de Spirax Sarco para “cálculos de puesta en marcha y pérdidas en
funcionamiento” que está disponible en su página web.
Consideramos:
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Una tubería de ANSI Schedule 80 apta para tuberías de vapor.
Tamaño nominal de tubería 40mm ya que es el próximo más cercano a lo
obtenido anteriormente.
La longitud de tubería equivalente vamos a calcular teniendo en cuenta que
para tuberías de longitud menores a 100m se considera un 20% adicionalen la caída de presión debido a accesorios y demás perdidas. Conforme a
esto calculamos y tenemos que la longitud equivalente es de 15m *1.2=18m
Presión de vapor = 11,25 bar
Temperatura ambiente = 25°C
El tiempo en que se pone en marcha vamos a suponer de 15 minutos.
En cuanto a la ubicación de la tubería vamos a considerar que esta en el
exterior expuesto.
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Según los cálculos la cantidad de condensado en la puesta en marcha es de
15,79kg/h y una vez que el sistema esté en operación esta cantidad de
condensado, considerando un aislante de 50mm es de 3,04kg/h.
Paso siguiente con el valor de condensado en la puesta en marcha,
dimensionamos el tamaño de esta tubería usando nuevamente la calculadora dela página web para dimensionamiento de tuberías nuevas con una sola línea de
descarga. Considerando:
Acero como material de tubería
Velocidad de revaporizado y condensado estándar
Presión del condensado, se refiere a la presión del tanque de condensados
que como está abierto a la atmosfera es de 0 bar
Presión aguas arriba es de 11,25 bar
Caudal másico del condensado que calculamos anteriormente que es de15,79 kg/h
De acá podemos ver que el diámetro nominal de tubería necesario es de 10mm.
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En segundo lugar vamos a calcular la tubería desde la salida del intercambiador
de calor hasta la trampa de vapor teniendo en cuenta:
El flujo másico de condensado usado para el cálculo es el máximo que es el
que se da en la puesta en marcha, este se estima como dos veces el
caudal normal = 2 ∗ 443
= 886
De la tabla, considerando aceptable una pérdida de carga de 0.3mbar/m el
diámetro de tubería seria de 32mm.
En tercer lugar el cálculo de la tubería desde la trampa de vapor hasta el tanque
de condensados no es necesario, es decir vamos a optar por tomar 32mm como
en el caso anterior, ya que consideraríamos el caudal máximo que se da en el
arranque del sistema.
En cuarto lugar calculamos el tramo desde la bomba de condensado hasta la
línea de retorno, para ello el caudal de diseño debe contemplar no los máximos si
no los caudales de condensado normales que provienen de ambas trampas de
vapor que son 3,04kg/h que proviene del punto de derivación y el caudal de
condensado que proviene de la trampa de vapor que se encuentra a la salida del
intercambiador que es de 443kg/h. Estos caudales al estar trabajando a presiones
mayores que 4bar pueden variar del calculado debido a fenómenos de
revaporización. Para calcular este caudal de condensado real vamos a utilizar la
calculadora disponible en la página web de Spirax Sarco:
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De aquí tenemos que el caudal de condensado que debería manejar la bomba y
por ende esta línea es de 388,31
+ 2,61
= 390,92
. Con este valor podemos
calcular ahora el diámetro de la tubería para este tramo de la siguiente tabla:
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De aquí que para un caudal de 390,92
, tenemos un diámetro de tubería de
25mm con una pérdida de carga aceptable de 0.3mbar/m.
Dimensionamiento de bomba
Vamos a utilizar el grafico stall chart de Spirax Sarco para ver si es necesario un
sistema de bombeo. Considerando:
Temperatura de entrada del agua al intercambiador = 50°C Temperatura de salida del agua del intercambiador = 75°C
Presión de entrada al intercambiador =6bar
Contrapresión en la descarga del vapor del intercambiador que será la
suma de la presión de condensados que es de 0,5 bar, la presión a vencer
debida a la altura 3 m c.a ( aproximadamente 0,3bar) y la caída de presión
debido a la fricción de los 150m de tubería que según la tubería elegida
anteriormente esta presión seria de
∆ó = 150 ∗ 0,3
∗
1000
= 0,045
Entonces podemos estimar esta contrapresión como:
∆ó = ∆ó + ∆ + ∆í
∆ó = 0,045 + 0,3 + 0,5 = 0,845
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Presión de accionamiento de la bomba, la limitante es que disponemos de
vapor a aproximadamente 11bar por lo que podemos optar por una presión
de 1,5bar
Altura de llenado suponemos de 0,3 para evitar multiplicar por un factor de
corrección
Utilizando el grafico provisto por Spirax Sarco para bombas automáticas MFP14 :
De aquí vemos que para las condiciones establecidas, la bomba MFP14 DN25
satisface las necesidades. Para el accionamiento requiere vapor a 1,5bar como
máximo y antes de que ingrese al tanque de condensados y al intercambiador
tenemos vapor a 11,25 bar disponible.
8)
Dimensionamiento y selección de una trampa de vapor
Se procederá a dimensionar y seleccionar la trampa de vapor que se encuentraluego del intercambiador.
Viendo los catálogos de Spirax Sarco se concluyó que el tipo de trampa de vapor
a utilizar para este tipo de situaciones es el de la gama FT.
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Para el dimensionamiento de la trampa de vapor se tuvieron en cuenta los
siguientes datos, como ser el caudal de 443 kg/h, sin embargo debe ser capaz de
manejar los condensados durante la puesta en marcha, es decir, 886 kg/h.
La presión antes de la trampa de vapor es de 6 bar r y descarga a un tanque que
se encuentra a presión atmosférica ( 0 bar r ).
Con el grafico que será mostrado a continuación podremos seleccionar
adecuadamente nuestra trampa de vapor:
En el grafico se puede observar que se puede seleccionar el modelo Spirax Sarco
FT20 (14bar).
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Dimensionamiento del separador de gotas
Para dimensionar el separador de gotas utilizamos el grafico para separadores de
Spirax Sarco. Nuestro caudal es de 443 kg/h y la presión es de 11,25 bar.
Eligiendo la curva con la velocidad correspondiente de 25m/s en la línea, tenemos
un separador S5 DN25 del fabricante Spirax Sarco con una caída de presión
menor a 0.05 bar.
Dimensionamiento y selección de una válvula de seguridad
Para el dimensionamiento y selección de la válvula de seguridad, debemos tener
en cuenta el caudal de 443 kg/h que deberá manejar y por otra parte la presión de
seteo, obtenida a partir de la presión máxima admisible de 7bar r.
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Observando el gráfico podemos optar por una válvula DN20, por ende podemos
utilizar una válvula reductora de presión Spirax Sarco DP17 pilotada: