Calorimetro de e4strangulacion

7/25/2019 Calorimetro de e4strangulacion

1/139

ESCUELA SUPERIOR POLITCNICA DE

CHIMBORAZO

FACULTAD DE MECNICA

ESCUELA DE INGENIERA MECNICA

DISEO, CONSTRUCCIN Y PRUEBAS DE UN

CALORMETRO DE ESTRANGULAMIENTO PARA

EL LABORATORIO DE TERMODINMICA DE LA

FACULTAD DE MECNICA DE LA ESPOCH.

ADONAS PATRICIO LPEZ LPEZ

LUIS ENRIQUE SALAZAR OROZCO

TESIS DE GRADOPrevia a la obtencin del ttulo de:INGENIERO MECNICO

Riobamba Ecuador2011


2/139

EspochFacultad de Mecnica

CERTIFICADO DE APROBACIN DE TESIS

CONSEJO DIRECTIVO

Junio, 08 del 2011

Yo recomiendo que la Tesis preparada por:

ADONIAS PATRICIO LPEZ LPEZ

Titulada:

DISEO, CONSTRUCCIN Y PRUEBAS DE UN CALORMETRO DE

ESTRANGULAMIENTO PARA EL LABORATORIO DE TERMODINMICA

DE LA FACULATAD DE MECNICA DE LA ESPOCH

Sea aceptada como parcial complementacin de los requerimientos para el Ttulo de:

INGENIERO MECNICO

Ing. Geovanny Novillo A.DECANO DE LA FAC. DE MECNICA

Nosotros coincidimos con esta recomendacin:

Ing. Gilberto ZabalaDIRECTOR DE TESIS

Ing. Rodrigo DazASESOR DE TESIS


3/139


CERTIFICADO DE APROBACIN DE TESIS

CONSEJO DIRECTIVO

Junio, 08 del 2011

Yo recomiendo que la Tesis preparada por:

LUIS ENRIQUE SALAZAR OROZCO

Titulada:

DISEO, CONSTRUCCIN Y PRUEBAS DE UN CALORMETRO DE

ESTRANGULAMIENTO PARA EL LABORATORIO DE TERMODINMICA

DE LA FACULATAD DE MECNICA DE LA ESPOCH

Sea aceptada como parcial complementacin de los requerimientos para el Ttulo de:

INGENIERO MECNICO

Ing. Geovanny Novillo A.

DECANO DE LA FAC. DE MECNICA

Nosotros coincidimos con esta recomendacin:

Ing. Gilberto ZabalaDIRECTOR DE TESIS

Ing. Rodrigo DazASESOR DE TESIS


4/139


CERTIFICADO DE EXAMINACIN DE TESIS

NOMBRE DEL ESTUDIANTE: ADONIAS PATRICIO LPEZ LPEZ

TTULO DE LA TESIS:DISEO, CONSTRUCCIN Y PRUEBAS DE

UN CALORMETRO DE ESTRANGULAMIENTO PARA EL

LABORATORIO DE TERMODINMICA DE LA FACULATAD DE

MECNICA DE LA ESPOCHFecha de Examinacin: Junio, 08 del 2011

RESULTADO DE LA EXAMINACIN:

COMIT DE EXAMINACIN APRUEBA NOAPRUEBA

FIRMA

Ing. Geovanny Novillo A.(Presidente Trib. Defensa)Ing. Gilberto Zabala

(Director de Tesis)Ing. Rodrigo Daz(Asesor)

* Ms que un voto de no aprobacin es razn suficiente para la falla total.

RECOMENDACIONES:

El Presidente del Tribunal quien certifica al Consejo Directivo que las condiciones de la

defensa se han cumplido.

f) Presidente del Tribunal


5/139


CERTIFICADO DE EXAMINACIN DE TESIS

NOMBRE DEL ESTUDIANTE: LUIS ENRIQUE SALAZAR OROZCO

TTULO DE LA TESIS:DISEO, CONSTRUCCIN Y PRUEBAS DE

UN CALORMETRO DE ESTRANGULAMIENTO PARA EL

LABORATORIO DE TERMODINMICA DE LA FACULATAD DE

MECNICA DE LA ESPOCHFecha de Examinacin:Junio, 08 del 2011

RESULTADO DE LA EXAMINACIN:

COMIT DE EXAMINACIN APRUEBA NOAPRUEBA

FIRMA

Ing. Geovanny Novillo A.(Presidente Trib. Defensa)Ing. Gilberto Zabala

(Director de Tesis)Ing. Rodrigo Daz(Asesor)

* Ms que un voto de no aprobacin es razn suficiente para la falla total.

RECOMENDACIONES:

El Presidente del Tribunal quien certifica al Consejo Directivo que las condiciones de la

defensa se han cumplido.

f) Presidente del Tribunal


6/139

DERECHOS DE AUTORA

El trabajo de grado que presentamos, es original y basado en el proceso de investigacin

y/o adaptacin tecnolgica establecido en la Facultad de Mecnica de la Escuela

Superior Politcnica de Chimborazo. En tal virtud, los fundamentos tericos -

cientficos y los resultados son de exclusiva responsabilidad de los autores. El

patrimonio intelectual le pertenece ala Escuela SuperiorPolitcnica de Chimborazo.

f) Adonias Patricio Lpez Lpez f) Luis Enrique Salazar Orozco


7/139

AGRADECIMIENTO

Ante todo a DIOS por habernos dado la vida, a nuestros padres que nos han

apoyado incondicionalmente en los buenos y malos momentos; a todos los amigos que

hemos hecho en el transcurso de nuestra carrera, con los cuales pasamos buenos

momentos dentro y fuera de las aulas, a nuestros profesores por habernos enseado y

capacitado a lo largo de nuestra etapa como estudiantes por todo esto y ms, muchas

gracias a todos.

Patricio Lpez Lpez.

Luis Salazar Orozco.


8/139

DEDICATORIA

Este trabajo va dedicado a nuestros padres, familiares, profesores y amigos ya

que siempre nos apoyaron incondicionalmente durante nuestra carrera universitaria.

Patricio Lpez Lpez.

Luis Salazar Orozco.


9/139

CAPTULO PGINA

1.

1.1 ..11.2 .11.3 ..21.3.1 .21.3.2 .2

TABLA DE CONTENIDOS

GENERALIDADES Y OBJETIVOS

AntecedentesJustificacin..Objetivo..Objetivo general.Objetivos especficos

2.DIFERENTES MTODOS DE EVALUAR LA CALIDAD. TIPOS DEGENERADORES DE VAPOR

2.1 ....32.1.2 ....32.1.2 ...42.1.2.1 ...42.2.2.1.1 ....52.1.2.1.2 .52.1.2.1.3 ...62.1.2.2 ....62.2 ..62.2.1 ....72.2.1.1 ...7

2.2.1.2 ..82.2.2 ....82.2.2.1 ....92.2.2.2 ..102.2.2.3 ...112.2.2.4 ...122.3 ....122.3.1 ..132.3.1.1 .132.3.1.2 ...14

2.3.1.3 ...142.3.1.4 ....152.3.1.5 ....162.3.1.6 .172.3.1.7 ..172.4 .182.4.1 .182.4.2 ...192.4.3 ..20

Clasificacin de los generadores de vaporAcuotubularesPirotubulares.Aplicaciones de los generadores de vapor

HogarCondensadorBombas y tanques de almacenamiento

Proceso de estrangulamiento.Tablas de vaporDiagrama de Mollier..Generadores de vaporPartes de un generador de vaporEconomizador

Sus desventajasCalormetro de estrangulamientoFuncionamiento

Las termodinmicaslas termoestticasSeparador de condensado...

Chimenea

SobrecalentadorQuemador

Determinacin de la calidad del vaporCalormetro de separacinSobre su funcionamiento

Mtodos para mejorar la calidad del vaporTrampas de vaporLas mecnicas

MARCO TERICO: ANLISIS DEL VAPOR HMEDO Y LOS

Calidad del vaporCausas para una baja calidad del vapor


10/139

3.ESTRANGULAMIENTO

3.1 ...223.1.1 ....223.1.2 ....223.1.3 .233.1.4 .223.1.4.1 ..233.1.4.2 ..243.1.4.2.1 ..243.1.4.2.2 .253.1.4.2.3 .253.1.5 ..263.1.5.1 273.1.5.1.1 .273.1.5.1.2 ..283.1.5.1.2.1 283.1.5.1.2.2 .293.1.5.1.2.3 .303.1.6 .313.1.5.2 .323.1.5.3 343.1.5.3.1 .343.1.5.3.2 .353.4.5.3.2.1 .353.1.5.3.3 ..363.1.5.3.3.1 363.1.5.3.3.2 .363.1.5.3.3.3 .373.1.5.3.3.4 ..373.1.5.3.4 373.1.5.3.5 .373.1.5.3.6 383.1.6 ..41

3.1.6.1 ..413.6.2 433.1.6.2.1 ..433.1.6.3 .443.1.6.4 Nmeros adimensionales..443.1.6.4.1 Nmero de Nusselt (Nu).443.1.6.4.2 Nmero de Prandtl (Pr).453.1.6.4.3 Nmero de Reynolds (Re)..453.1.6.4.4 Nmero de Grashof (Gr)..463.1.6.5 Datos para el clculo.46

3.1.6.5.1 Clculo del aislante...473.1.6.5.1.1 Resistencias trmicas...473.1.7 Construccin de la cmara de expansin.56

Diseo de la camara de expansinSeleccin del aislamiento trmico

Conduccin de calor en paredes cilndricasConveccinConveccin forzada..Conduccin

Presin de operacin.Presin de diseo.Mxima presin permitida de operacinPresin hidrosttica..Valores del esfuerzo mximoEficiencia de las juntas

Dimensionamiento de la cmara de expansinDiseo mecnico de la cmara de expansinCargasEsfuerzosEsfuerzos en cascos cilndricosPresin interna

Componentes de una vlvula industrialClasificacin de las vlvulas industrialesVlvula de globo..Vlvula de compuertaVlvula esfricaCmara de expansin

Clculo del dimetro de la tuberaFlujo msicoPresin de trabajo de la calderaVolumen especfico del vaporSeleccin de la vlvula de estrangulamientoVlvulas industriales

Seleccin de los ductos del equipoTuberias de vapor

Normas para tuberasClasificacin de llos ductos

Diseo de la tuberiaDiseo de tuberias mediante la velocidad del vapor

DISEO Y CONSTRUCCIN DEL CALORIMETRO DE


11/139

44.1 ..604.2 ..604.2.1 .614.2.2 624.3 ..624.3.1 ..624.4 Quemador de gas....634.5 Vlvula de seguridad....644.6 Vlvulas de purga....664.7 Sistema elctrico..674.7.1 Contactor...674.7.2 Rele..674.7.3 Fusibles...684.7.4 Luz piloto...684.7.5 Selector de posicin...694.7.6 Accesorios de montaje..694.8 Seleccin de la vlvula de control de nivle...704.9 Seleccin del quemador...714.9.1 Quemador del calefn..714.10 Funcionamiendo de la caldera....73

Control de nivel de lquido operado por flotador.Control de la presin del vaporPresostato.

CONTROL AUTOMTICO DE LA CALDERAControl automticoControl de nivel de lquidoControl de nivel accionado por flotador y bulbos de mercurio

5.CALIDAD DEL VAPOR

5.1 76

5.2 .765.2.1 775.2.2 785.2.2.1 795.2.3 .805.2.3.1 .805.2.3.2 ..825.2.3.3 .845.3 .855.4 ..85

5.5 ..88

Paleta de controlesPaleta de herramientasProgramacin en LabviewAdquisicin de datos en Labview..

Clculo de la calidad del vapor

Partes del LabviewPanel frontalDiagrama de bloquesBarra de herramientasPaletas de trabajoPaleta de funciones

UTILIZACIN DEL LABVIEW PARA EL CLCULO DE LA

Introduccin a Labview


12/139

6.FUNCIONAMIENTO Y MANTENIMIENTO DEL EQUIPO

6.1 ..936.1.1 .936.1.1.1 Introduccin..936.1.1.2 Objetivos...936.1.1.3 Equipos y materiales.946.1.1.4 Esquema.946.1.1.5 Marco terico.946.1.1.6 Procedimiento...976.1.1.7 Clculos y resultados.986.1.1.8 Anlisis y discusin de resultados...996.1.1.9 Conclusiones y recomendaciones...996.1.1.10 Recomendaciones..996.1.2 Mantenimiento de la caldera...996.1.2.1 Tratamiento del lquido...996.1.2.2 Descripcin y frecuencia del mantenimiento.1016.1.2.3 Frecuencias de mantenimiento...1026.1.2.3.1 Mantenimeinto diario..1026.1.2.3.2 Mantenimiento semanal...1026.1.2.3.3 Mantenimeinto mensual..1026.1.2.3.4 Mantenimeinto trimestral.102

ELABORACIN DE UNA GUA DE LABORATORIO,

Gua del laboratorio de termodinmicaTema: Evaluacin de la calidad del vapor

. ANLISIS ECONMICO.7.1 Generalidades...1037.2

Costos directos..1037.2.1 Costo de materiales..1037.2.1.1 Control de nivel..1047.2.1.2 Automatizacin de la caldera..1057.2.1.3 Sistema de ductos...1067.2.1.4 Cmara de expansin.1077.2.1.5 Estructura metlica.1077.2.2 Costo mano de obra.1087.2.3 Costo equipos y herramientas.1087.2.4 Costo por transporte...109

7.3 Costos indirectos.1097.3.1 Criterio de ingeniera...1107.3.2 Imprevistos.1107.3.3 Utilidades...1107.4 Costos totales...110


13/139

. CONCLUSIONES Y RECOMENDACIONES

8.1 Conclusiones..1118.2 Recomendaciones.. .112

REFERENCIAS BIBLIOGRFICAS

LINKOGRAFAANEXOSPLANOS

BIBLIOGRAFA


14/139

TABLA PGINA

3.1 Clculo de la velocidad en el ducto de vapor...263.2 Dimetro de la camara de expansin..333.3 Longitud de la cmara de expansin...343.4 Hoja de cculo para perdidas de calor ductos...523.5 Iteraciones espesor de aislante.533,6 Hoja de cculo prdidas de calor cmara de expansin..553.7 Espesor del aislante en la cmara de expansin..566.1 Datos de la caldera..987.1 Control de nivel..1047.2 Control auntomtico...1057.3 Sistema de ductos.....1067.4 Cmara de expansin.1077.5 Estructura.1077.6 Mano de obra...1087.7 Equipos y herramientas....1087.8 Transporte..1097.9 Costos directos...109

7.10 Costos indirectos..1107.11 Costos totales.110

LISTA DE TABLAS


15/139

FIGURA

2.1 Condensado en tuberia de vapor2.2 Trampa de vapor tipo flotador2.3 Separador de condensado2.4 Calorimetro de separacion2.5 Calorimetro de estrangulamiento2.6 Diagrama temperatura - entalpia2.7 Economisador2.8 Chimenea2.9 Sobre calentador

2.10 Quemador2.11 Hogar2.12 Condensador2.13 Bombas2.14 Caldera Acuotubular2.15 CalderaPirotubular3.1 Vlvulas..273.2 Vlvula de globo3.3 Vlvula de compuerta3.4 Vlvula esfrica3.5 Cmara de expansin......313.6 Espesor casco cilndrico3.7 Espesor casco elipsoidal3.8 Cabeza elipsoidal3.9 Paredes cilindricas con aislante

3.10 Radio del aislante - prdidas de calor tuberia3.11 Radio del aislante - prdidas de calor cmara3.12 Tubo 5 [in]3.13 Tapas cmara3.14 Cmara de expansin sin aislante3.15 Instrumentos cmara de expansin3.16 Montaje tubera4.1 Tablero de control4.2 McDonnell & Millar ITT. 150 4.3 McDonnell & Millar 644.4 Presstato4.5 Quemador a gas4.6 Vlvula de seguridad4.7 Vlvula de purga4.8 Contactor GMC-12

4.9 Rele4.10 Fusibles4.11 Luces piloto

LISTA DE FIGURAS

PGINA

..4.5

...6..7

...9...12

..14..14.15...16...16

..17.18.19...20

..29..30..31

.....38..39.41.42

..54.57...57...58...58

.59..59.60...61

..62...63

..64..65.66...67

.68..68..69


16/139

4.13 Accesorios de montaje..704.14 Borneras....704.15 Instalacin de McDonnell..714.16 Esquema calefn....724.17 Quemador calefn.72

4.18 Tablero de control..734.19 Circuito de control.....744.20 Quemador de la caldera....745.1 Panel frontal.....775.2 Diagrama de bloques........785.3 Botones para ejecucin del programa..795.4 Botones para depuracin.......795.5 Formato de texto..795.6 Botones para ordenar objetos......805.7 Icono del VI.....80

5.8 Paleta de funciones..815.9 Paleta de controles...83

5.10 Paleta de herramientas..845.11 NI USB 6216....865.12 NI USB 6009..865.13 Programa para determinar la calidad del vapor..885.14 Tabla de ingreso de datos..895.15 Instrumentos.....895.16 Presin absoluta de la caldera.905.17 Tabla de datos de entalpia de la caldera.905.18 Tabla entalpia vapor recalentado...915.19 Calidad del vapor.925.20 Diagrama de bloques del programa.926.1 Disgrama S-T..956.2 Esquema del calorimetro de estrangulamiento.966.3 Vlvula de purga de la caldera.1006.4 Incrustaciones en tubos de fuego...100


17/139

LISTA DE SMBOLOS Y ABREVIACIONES

A rea

ASA Asociacin Americana de Normas.

ASME Sociedad Americana de Ingenieros Mecnicos.

ASTM Sociedad Americana de Ensayo de Materiales.

AWWA Asociacin Americana de Obras Hidrulicas.

C.A. Margen de corrosin.

cm. Centmetros

Cp Calor especfico

k Coeficiente de conductividad trmica.

D Dimetro

DAQ Data adquisicin

Di Dimetro interno de la cabeza elipsoidal [in].

E Eficiencia de la junta.

GLP Gas licuado de propano

Gr Nmero de Grashof

h Altura de cabeza elipsoidal.

h0 Coeficiente de transferencia de calor por conveccin

h2 Entalpa total del vapor recalentado

hf Entalpa del lquido.

hfg Entalpa de vaporizacin del vapor saturado seco.

in. Pulgada

Kg kilogramo

Kcal. Kilo calora.


18/139

L Longitud de la cmara

Lc Longitud caracterstica.

m. Metrosmm. Milmetros

mds Masa del vapor seco

mm Masa de la humedad separada del vapor seco.

o

m Flujo msico del vapor

Nu Nmero de Nusselt

Pr Nmero de Prandtl

PSI libra por cada pulgada cuadrada

trabajoP Presin de trabajo absoluta

mP Presin manomtrica

P d Presin de diseo

q Prdida de calor.

El calor sensible del vapor recalentado

r Radio

R Resistencia trmica

Ra Nmero de Rayleigh.

Re Nmero de Reynolds

S Esfuerzo del material

S1 Esfuerzo longitudinal

S2 Esfuerzo circunferencial

t Espesor


19/139

tc Espesor cabeza elipsoidal

Tf Temperatura flmica

Ti Temperatura del vapor

T0 Temperatura ambiente

T2 Temperatura superficie del ducto

V Volumen total

_

V

Velocidad del vapor

VI Instrumentos Virtuales

x Calidad del vapor, expresada en fraccin decimal.

T Gradiente de temperatura

Densidad

Viscosidad dinmica


20/139

LISTA DE ANEXOS.

ANEXO 1:Propiedades de los materiales.

ANEXO 2: Tipos de juntas soldadas.

ANEXO 3: Propiedades de los materiales, aplicacin.

ANEXO 4: Propiedades de los gases.

ANEXO 5: Tubera de acero al carbono.

ANEXO 6: Quemador del calefn.


21/139

RESUMEN

Este trabajo consiste en el diseo de un equipo para evaluara la calidad del vapor en una

caldera, el cual se fundamenta en la expansin adiabtica irreversible.

Se disea y se selecciona los elementos del calormetro de estrangulacin, tales como

sistemas de ductos, vlvula de estrangulamiento, aislante trmico, cmara de expansin,

donde se evala la temperatura y presin, para con estos datos mediante las tablas de

vapor o diagrama de Mollier evaluar su calidad.

Al existir en el laboratorio una caldera se procede a su automatizacin, tomando en

cuanta los parmetros a controlar tales como, el control de nivel mediante el Mcdonnell

y la bomba de alimentacin, el control de la presin de trabajo con ayuda de un

presstato y la vlvula de seguridad. El control de llama es uno de los parmetros msdelicados en una caldera, por lo que se debe garantizar la presencia de la misma, para lo

cual, se selecciona el sistema de control del calefn por tener un sistema parecido con

las calderas industriales.

Los datos obtenidos en las pruebas, se transmiten desde los sensores a una PC, a travs

del desarrollo de un programa en Labview, con el cual se obtendr la calidad en forma

directa.

Finalmente se elabora una gua de laboratorio. Con esta gua el estudiante esta encapacidad de manipular el equipo y realizar prcticas de evaluacin del vapor hmedo.


22/139


23/139

1

CAPTULO I

1. GENERALIDADES Y OBJETIVOS

1.1. Antecedentes.

El presente Trabajo de Tesis de Grado, determinado a diseo y construccin de un

calormetro de estrangulamiento, ha sido convenido para aportar al mejoramiento del

Laboratorio de Termodinmica de la Facultad de Mecnica, de sus servicios y prestaciones

que viabiliza, para respectivamente ejecutarlos en condiciones de calidad y precisin:

pruebas y experimentos que consoliden apropiadamente el desarrollo correlativo de los

conocimientos tericos impartidos.

El calormetro diseado y construido, consiste en un dispositivo tcnico, equipado

para establecer la calidad del vapor hmedo producido, a su vez, por un generador de

vapor o caldera.

1.2. Justificacin.

Mientras, tcnicamente la calidad del vapor es un valor a determinar, es el

calormetro, objeto de la Tesis de Grado ejecutada, el dispositivo justificado para

establecer los respectivos parmetros que conllevan a la evaluacin de esta. Se debe,

adems, destacar que existen en general varios mtodos de medicin de la denominada

calidad; pero ninguno que se considere simplificado.

El calormetro de estrangulamiento desarrollado, se fundamenta en la expansin

adiabtica irreversible del vapor, la misma que ocurre sin realizar trabajo externo; por lo


24/139

2

que la energa del vapor (entalpa) se recupera al final del proceso. Las prdidas de calor

por conveccin deben reducirse al mnimo; para esto, los ductos que transportan el vapor

deben estar aislados trmicamente.

Debido a los altos costos de adquisicin del equipo en el mercado y, a su gran

utilidad para el Laboratorio de Termodinmica de la Facultad de Mecnica, fue como se

plante la realizacin de esta Tesis de Grado.

1.3. Objetivos.

Disear y construir un calormetro de estrangulamiento, para el laboratorio de

Termodinmica, de Ingeniera Mecnica.

Analizar el marco terico sobre la calidad del vapor y generadores de vapor.

Analizar los diferentes mtodos para la determinacin de la calidad del vapor.

Disear, calcular y construir los diferentes elementos del calormetro de

estrangulamiento.

Automatizar de la caldera.

Utilizar el programa LABVIEW para el clculo de la calidad del vapor.

Elaborar una gua de funcionamiento del equipo.

Evaluar costos de construccin del equipo. .


25/139

3

CAPTULO II

2. MARCO TERICO: ANLISIS DEL VAPOR HMEDO Y LOSDIFERENTESMTODOS DE EVALUAR LA CALIDAD.TIPOS DEGENERADORES DE VAPOR.

Calidad del vapor [1].

La regin de saturacin se puede considerar como una mezcla de un lquido saturado

puro y un vapor saturado puro. La proporcin de vapor saturado, o sea la relacin de la

masa de vapor saturado con respecto a la masa total de una mezcla determinada en la

regin saturada, se llama calidad.

Los efectos de una baja calidad son particularmente devastadores para procesos

que tienen contacto directo con el vapor, tales como plantas de alimentos, hule y textiles.

El condensado que se produce se adhiere a la superficie del producto, pudiendo ste

resultar con muchos defectos.

En los intercambiadores de calor, son ejemplos tpicos del uso indirecto del vapor, en

tanto que su baja calidad disminuye la eficiencia en la transferencia de calor; lo cual, a su

vez, redunda en una cada de la productividad.

Otro de los inconvenientes, es el condensado arrastrado por el vapor, el cual provoca

fallas en dispositivos, tales como vlvulas reductoras de presin, vlvulas de control,

medidores de flujo y ductos.

2.1.1. Causas para una baja calidad del vapor [2].

Existen dos causas principales para que la calidad del vapor disminuya, stas son:

Baja calidad dentro de la caldera: Esto es usualmente el resultado de

fluctuaciones bruscas en la carga, causando que el lquido en la caldera quede

atrapada y transportada con el vapor.

Condensado: ste, que no es completamente removido de los ductos de vapor; y

que se produce por un mal aislamiento trmico.


26/139

4

Por lo tanto, la calidad o ttulo del vapor es un parmetro muy importante a

determinar para un correcto funcionamiento de un generador de vapor.

2.1.2. Mtodos para mejorar la calidad del vapor.

Como se mencion anteriormente, una de las principales causas de una baja calidad

del vapor es el condensado que se produce en los ductos de vapor; el mismo que se genera

debido al gradiente trmico existente entre sus paredes interiores en contacto con el vapor.

El aislamiento trmico en las lneas de vapor es de gran ayuda para evitar que se forme el

condensado; pero, a pesar de la utilizacin del mismo, se seguir produciendo dicho

condensado, en una cantidad que debe eliminarse.

Figura 2.1: Condensado en tubera de vapor[2].

Existen equipos para disminuir el condensado en los ductos, tales como: las trampas

de vapor, y los separadores de condensado.

2.1.2.1. Trampas de vapor [3].

Es una vlvula automtica cuya misin es minimizar el condensado de los ductos de

vapor; adems, de prevenir prdidas de vapor.


27/139

5

Figura 2.2: Trampa de vapor tipo flotador [3].

Son algunos los parmetros para poder seleccionar una trampa de vapor, as:

Presin nominal del vapor.

Caudal de condensado.

Diferencial de presin.

Tipo de conexin.

Tipo de material.

Como tipos de trampas de vapor, se dispone de:

Mecnicas.

Termodinmicas.

Termostticas.

2.1.2.1.1. Las mecnicas.

Que trabajan con la diferencia de densidad entre el vapor y el condensado y tienen un

flotador, el cual se abre para descargar el condensado que se ha acumulado.Cuando est cerrada dicha trampa, comienza nuevamente el ciclo llenndose de vapor para

luego descargar el condensado.

2.1.2.1.2.Las termodinmicas.

stas, operan por el principio de diferencia entre el flujo de vapor y del condensado.

Al entrar el vapor, ste llega con una velocidad mayor y el disco que usan como vlvula, se


28/139

6

cierra; entonces, este disco se abre al presentarse la baja velocidad del condensado para

desalojarlo.

2.1.2.1.3 Las termostticas.

Que funcionan mediante un sensor de temperatura, el cual mide la variacin de sta

entre el vapor y el condensado. La trampa respectiva se abre, al llegar a un valor especfico

de temperatura para drenar el condensado.

2.1.2.2. Separador de condensado.

Los separadores de condensado, retiran las pequeas gotas de lquido que circulan

junto con el vapor o aire comprimido en forma de niebla en las lneas de distribucin. Se

recomienda su instalacin antes de vlvulas de control para evitar la erosin de su asiento y

vstago o en equipos que requieran vapor seco.

Figura 2.3: Separador de condensado [3].

2.2 Determinacin de la calidad del vapor.

La calidad, no se puede determinar en forma directa. Hay varios mtodos para

establecerla; sin embargo, no existe ninguno que pueda considerarse simple. Para tal

objeto, se utiliza calormetros especiales. Siendo los ms comunes, los siguientes:

Calormetro de separacin.

Calormetro de estrangulacin.


29/139

7

2.2.1 Calormetro de separacin.

Es, el que puede considerrsele como el ms simple; pues,se basa en separar el

lquido del vapor hmedo que entra en el aparato. En este caso, es necesario medir la masa

del lquido y la masa del vapor seco que sale del calormetro luego de ser condensada. Los

calormetros del tipo de separacin, se utilizan para determinar el ttulo de vapores muy

hmedos y de baja presin.

Figura 2.4: Calormetro de separacin.

2.2.1.1 Sobre su funcionamiento.

El calormetro de separacin antes indicado, se aplica en el proceso de flujo que

permite cambiar la direccin del vapor hmedo de entrada a travs de una serie de ngulos

obtusos. Mientras el vapor viaja a travs de estos ngulos, por gravedad las gotas de

lquido generadas, son impedidas de seguir los cambios en direccin del vapor;

provocndose, por tanto, la cada del condensado dentro de la cmara de coleccin.

Para calcular la calidad, la tasa de flujo en masa de vapor se divide entre las tasas de

flujo en masa de las corrientes de lquido y vapor. Si la unidad generadora de vapor opera


30/139

8

bajo condiciones de flujo continuo, como generalmente lo hace, la calidad, puede hallarse

dividiendo la tasa de vapor en el separador por la tasa de lquido entrante.

La expresin del ttulo en forma de fraccin decimal resultante, es:

mds

ds

mm

mx

+=

(2.1)

En donde:

mds= Peso del vapor seco que pasa por el calormetro, en Kg.

mm = Peso de la humedad separada de mdsde kg del vapor seco, en Kg.

X = Calidad del vapor.

2.2.1.2. Sus desventajas.

Los calormetros separadores no pueden separar todo el lquido; y, un poco se va en el

vapor seco.

Se utiliza, entonces, el tipo de calormetro descrito; de separacin, para determinar

grandes contenidos de lquido hastax=0,5.

2.2.2. Calormetro de estrangulamiento.

ste, es un instrumento que permite medir la calidad del vapor en forma indirecta; si

el vapor se estrangula y a continuacin se expansiona sin realizar trabajo o sin prdida de

calor, la energa total del vapor permanece invariable. Las prdidas por radiacin deben

reducirse al mnimo y, para ello, el calormetro y los ductos de vapor deben estar

completamente aislados trmicamente.


31/139

9

Figura 2.5: Calormetro de estrangulamiento.

2.2.2.1. Funcionamiento.

Aqu, mientras el vapor entra por la tobera de toma de muestras, ste se estrangula al

pasar por la vlvula situada a la entrada del calormetro. A continuacin entra el vapor a la

cmara de expansin, escapando finalmente el mismo a la atmosfera.

Cuando el vapor pasa por la vlvula de estrangulamiento, la entalpia disminuye y la

energa cintica aumenta; pero, luego al entrar en la cmara de expansin la energa

cintica es disipada y la entalpia inicial es obtenida nuevamente sin realizar trabajo; por lo

tanto la entalpia es la misma antes y despus del estrangulamiento.

El calormetro mencionado, funciona propiciado por el respectivo proceso

adiabtico; ya que no debe existir transferencia de calor con el medio que lo rodea, paraque los valores de la calidad sean confiables; por lo tanto el calormetro y los ductos de

muestra de vapor, deben estar completamente aislados trmicamente.

El calormetro de estrangulamiento se utiliza para contenidos de humedad bajos,

aproximadamente entrex=0,95 y x=1,0


32/139

10

2.2.2.2. Proceso de estrangulamiento.

Es un proceso, en el cual el fluido se expande sin producirse trabajo a entalpa

constante, que obedece a la ecuacin denominada Expansin de Joule-Thompson:

h1=h2. ste proceso, se realiza mediante vlvulas que estrangulan el vapor, determinadoque ste adquiera una velocidad alta.

Puede establecerse la relacin siguiente: la entalpa total del vapor saturado hmedo

antes de la expansinh1 = (hf+ xhfg) es igual a la entalpa total h2del vapor recalentado

despus de la expansin.

Por lo tanto:

h1 = (hf+ xhfg) = h2 (2.2)

Despejando la calidad se tiene:

fg

f2

h

hhx

= (2.3)

Dnde:

x = calidad del vapor, expresada en fraccin decimal.

h2= entalpa total del vapor recalentado a la presin absoluta del calormetro, en kcal porKg.

hf = entalpa del lquido a la presin inicial, en kcal por Kg.

hfg= entalpa de vaporizacin del vapor saturado seco a la presin absoluta inicial en

kcal por Kg.

Los valores de hfy hfg,son obtenidos de las tablas respectivas de vapor, en funcin de

la presin absoluta dela caldera; mientras que el valor de la entalpia h2se lo obtiene con los

datos de presin absoluta y temperatura en la cmara de expansin, luego del

estrangulamiento.

Se puede determinar las entalpias utilizando las tablas de vapor o el diagrama de

Mollier.

Tambin es estimable el valor de la entalpah2mediante el empleo del calor

especfico del vapor a presin constante. Para recalentar el vapor desde el punto de

saturacin, se requiere un calor .En este caso, se debe considerar al vapor recalentado


33/139


34/139

12

Zona de vapor hmedo: tambin conocida como la zona de dos fases, representa

todos los valores del vapor en su condicin de hmedo. Sus lmites son: la lnea de

lquido saturado y la lnea del vapor saturado.

Lnea de vapor saturado seco: La lnea de vapor seco saturado muestra el vapor a

su temperatura de saturacin, y representa las propiedades finitas relacionadas

nicamente con las condiciones de vapor seco saturado.

Zona de vapor recalentado: Que representa el vapor a una temperatura superior a

su temperatura de saturacin. Si se calienta el vapor saturado a una presin

constante, se producir vapor recalentado.

Figura 2.6: Diagrama temperatura entalpia [5].

2.2.2.4. Diagrama de Mollier.

El diagrama de Mollier, es una grfica en la cual estn representadas las propiedades

de un fluido, en la que la entalpia constituye una de las coordenadas; adems, de contener

las lneas correspondientes al lquido y vapor saturados, el diagrama posee trazos para

representar: la presin, la temperatura, entropa, volumen especfico y, la calidad del

fluido.

2.3.Generadores de vapor [6].

Las calderas o generadores de vapor, son instalaciones industriales que, aplicando el

calor de un combustible slido, lquido o gaseoso, vaporizan el lquido para aplicaciones

en la produccin.


35/139

13

Funcionan, mediante la transferencia de calor producida generalmente al quemarse

un combustible; mientras el lquido contenido circule dentro de un recipiente metlico. En

toda caldera se distinguen dos zonas importantes, las cuales son:

Zona de liberacin de calor o cmara de combustin: que es el lugar, donde se

quema el combustible. Puede ser interior o exterior, con respecto al recipiente

metlico.

Interior: cuando la cmara de combustin se encuentra dentro del recipiente

metlico o rodeado de paredes refrigeradas por lquido.

Exterior: si la cmara de combustin es constituida fuera del recipiente

metlico. sta, se halla parcialmente recubierta o sin paredes refrigeradas por

lquido.

Zona de tubos: es la zona donde los productos de la combustin (gases o humos)

transfieren calor al lquido, principalmente, por conveccin (gases lquido); y

dispuesta, a su vez, por tubos, dentro de los cuales pueden circular los humos o el

lquido.

2.3.1. Partes de un generador de vapor.

Las principales partes que componen un generador de vapor, son las siguientes:

Economizador

Chimenea.

Sobre calentador.

Quemador.

Hogar

Condensadores.

Bombas y tanques de alimentacin.

2.3.1.1. Economizador

Es un dispositivo mecnico de transferencia de calor, que calienta un fluido hasta su

punto de ebullicin; sin pasar de ste, recupera el calor sensible de los gases de salida de

una caldera, propiciando incremento de la temperatura del lquido de alimentacin de la

caldera mencionada. Aprovechando el calor remanente de los gases de combustin, se

reduce drsticamente los costos de combustible, recuperando calor, y mejorando el

rendimiento de la caldera.


36/139

14

Figura 2.7: Economizador [6].

2.3.1.2. Chimenea

Determinada a suministrar una va de escape para los productos de la combustin y

el calor residual hacia la atmosfera; a travs de ella se produce la mayor prdida de calor.

Figura 2.8: Chimenea [6].

2.3.1.3. Sobre calentador.

Siendo un dispositivo vaporizador, es bsicamente un intercambiador de calor gases-

vapor, diseado tomando en cuenta las particularidades de su trabajo con gases de

combustin. El mismo, adems, persigue la obtencin de vapor a alta temperatura, que no

sufra problemas de condensacin en su camino desde la caldera hasta su utilizacin final.


37/139

15

Figura 2.9: Sobre calentador [16].

2.3.1.4. Quemador [13].

El propsito principal del quemador, es mezclar y dirigir el flujo de combustible y aire,

de tal manera que se asegure el encendido rpido y la combustin completa. En los

quemadores, se conoce como aire primario, a aquel que se mezcla inicialmente con el

combustible para obtener un encendido rpido y actuar como un medio de transporte del

combustible. La porcin restante o aire secundario, se introduce a travs de registros en la

caja de viento.


38/139

16

Figura 2.10: Quemador [13].

2.3.1.5. Hogar.

Es la cmara, donde se efecta la combustin; confina el producto de la combustin

y puede resistir las altas temperaturas que se presentan y las presiones que se utilizan. Sus

dimensiones y geometra, se adaptan a: la velocidad de liberacin del calor, el tipo de

combustible y al mtodo de combustin; de tal manera, que se haga lo posible por tener

una combustin completa y se proporcione un medio apropiado para eliminar la ceniza.

Figura 2.11: Hogar.


39/139

17

2.3.1.6. Condensador.

Es, un intercambiador de calor entre fluidos; de modo que. Mientras uno de ellos se

enfra, pasando de estado gaseoso a estado lquido, el otro se calienta. Se fabrica en

tamaos y disposiciones diversas, para ser empleados en numerosos procesos trmicos.

Figura 2.12: Condensador.

2.3.1.7. Bombas y tanques de almacenamiento.

Estn diseadas para suministrar lquido a las calderas. El lquido mencionado, se puede

proveer directamente del tanque de almacenamiento o del condensado producido por la

caldera. Estas bombas son normalmente de alta presin; las calderas al disponer de un

controlador de nivel, activan dichas bombas de alimentacin. Tanto los tanques

atmosfricos como los presurizados pueden ser de acero negro o de acero inoxidable.


40/139

18

Figura 2.13: Bombas.

2.4. Clasificacin de los generadores de vapor [6].

Los generadores de vapor pueden ser clasificados de varias maneras: de acuerdo a su

presin de trabajo, a su produccin de vapor, al combustible utilizado y, a la circulacin de

los fluidos dentro de los tubos de la caldera. Pero, en su forma ms general, los

generadores de vapor se clasifican en los tipos siguientes:

Acuotubulares.

Pirotubulares.

2.4.1. Acuotubulares.

Son aquellos, en los que el fluido de trabajo se desplaza a travs de tubos durante sucalentamiento. Son generadores de alta eficiencia, pero de elevado costo; deben

alimentarse con lquido de gran pureza; pueden ser puestos en marcha rpidamente;

trabajan a alta presin y temperatura; tienen una gran capacidad de generacin de vapor.

Adems, pueden estar dotados de otros elementos de intercambio de calor como: sobre

calentador, recalentador, economizador, etc.


41/139

19

Estas calderas, constan de un hogar, configurado por ductos para lquido, tubos y

refractarios o, solamente refractarios. En el mismo, se produce la combustin

constituyendo la zona de radiacin de la caldera.

Desde dicho hogar, los gases calientes resultantes de la combustin, son conducidos

a travs del circuito de la caldera, configurado, a su vez, por paneles de tubos y

constituyendo la zona de conveccin de la caldera. Finalmente, los gases son enviados a la

atmsfera a travs de la chimenea.

Figura 2.14: Caldera Acuotubular [6].

2.4.2. Pirotubulares.

En este tipo, el fluido en estado lquido se encuentra en un recipiente, y es atravesado

por tubos por los cuales circulan gases a alta temperatura, producto del respectivo proceso

de combustin. El lquido se evapora al contacto con los tubos calientes, a consecuencia de

la circulacin de los gases de combustin.

Son calderas muy simples en su diseo; pues, no exigen mucha pureza en el lquido

de alimentacin; son de bajo costo, aunque de gran tamao y peso; y necesitan mayor


42/139

20

tiempo que las acuotubulares para entrar en funcionamiento. Pero, como advertencia: no se

las puede emplear en altas presiones.

El combustible se quema en el hogar, en donde tiene lugar la transmisin de calor

por radiacin; los gases resultantes circulan a travs de los tubos, que constituyen el haz

tubular de la caldera y, donde se efecta el intercambio de calor por conduccin y

conveccin. Segn sean una o varias las veces que los gases pasan a travs del haz tubular,

se dispone de calderas de uno o de varios pasos. En el caso de calderas de varios pasos, en

cada uno de stos, los humos solo atraviesan un determinado nmero de tubos; algo que se

logra mediante las denominadas cmaras de humos. Una vez realizado el intercambio

trmico, los humos son expulsados al exterior a travs de la chimenea.

Figura 2.15: Caldera Pirotubular.

2.4.3. Aplicaciones de los generadores de vapor.

Debido a las amplias aplicaciones que tiene el vapor, las calderas son muy utilizadas

en la industria; entre sus aplicaciones se puede indicar las siguientes:


43/139

21

Enesterilizacin, pues es comn encontrarlos en hospitales, donde se utiliza vapor

para esterilizar instrumentos mdicos; tambin, en los comedores industriales,

generar vapor, til en esterilizar cubiertos; as como para la elaboracin de

alimentos en marmitas. Para calentar otros fluidos; por ejemplo, en la industria petrolera si se calienta

petrleos pesados para mejorar su fluidez: el vapor es muy utilizado.

En la generacin de electricidad. Las calderas son componentes fundamentales de

las centrales termoelctricas. Aqu, entonces el uso de vapor, es clave.


44/139

22

CAPTULO III

3. DISEO Y CONSTRUCCIN DEL CALORMETRO DEESTRANGULAMIENTO.

Seleccin de los ductos del equipo.

Tuberas de vapor. [7]

Los sistemas de vapor son vas de transporte de energa, existen prdidas de carga en

las tuberas debido a la friccin entre sus paredes y el vapor, as como prdidas de calor

debido a la transferencia del vapor con el medio que lo rodea.

Para que un sistema de tuberas funcione eficientemente, las prdidas de carga y decalor deben ser las mnimas, de manera que se pueda obtener datos de presin y

temperatura ms confiables.

Una elevada velocidad del vapor ocasiona prdidas de carga, erosin y desgaste en la

tubera, por otra parte una tubera sobre diseada no tendr problemas de prdida de carga

y suministrar la cantidad de vapor requerido.

Clasificacin de las tuberas.

Los sistemas de tuberas se pueden clasificar de la siguiente manera:

Por las condiciones de servicio.

Tuberas para vapor saturado o recalentado.

Tuberas para agua condensada, de alimentacin, fra o caliente.

Tuberas para aceite lubricante, combustible.

Tuberas para aire comprimido.

Tuberas para fluidos refrigerantes.

Tuberas para calefaccin.

Tuberas para petrleo.


45/139

23

Por el fluido que transportan.

Vapor.

Agua caliente, fra.

Aceite. Aire.

Gas.

Normas para tuberas.

Las normas internacionales que regulan el dimensionamiento de las tuberas as

como de sus accesorios y materiales, son las siguientes.

ASTM: Sociedad Americana de Ensayo de Materiales.

ASA: Asociacin Americana de Normas.

ASME: Sociedad Americana de Ingenieros Mecnicos.

AWWA: Asociacin Americana de Obras Hidrulicas.

Diseo de la tubera.

El diseo de tuberas se puede realizar siguiendo dos mtodos:

Mediante la velocidad del vapor y.

Por las prdidas de carga.

Diseo de tuberas mediante la velocidad del vapor.

Es un diseo aplicado en tramos cortos, con un mximo de 20m, con esta longitud no

se consideran grandes prdidas de carga, las velocidades recomendadas del vapor son las

siguientes:


46/139

24

Vapor saturado: de 20 a 30 m/s.

Vapor recalentado: de 30 a 40 m/s.

En tramos cortos de tubera se recomienda una velocidad del vapor de 10 m/s con el

fin de evitar prdidas de carga.

Clculo del dimetro de la tubera.

Para calcular el dimetro de la tubera, se utiliza la ecuacin de continuidad:

AVmo

= (3.1)

Dnde:

o

m : Flujo msico del vapor

: Densidad

V: Velocidad del vapor

A : rea

Para el clculo de la tubera de vapor del calormetro de estrangulamiento se cuenta

con los siguientes datos:

Flujo msico.

Se utiliza un flujo de vapor de:

=

=

s

Kg

h

kgmo

00417,015

Presin de trabajo del caldero.

La presin de trabajo del caldero es [ ]psig45 , cuyo valor se justificar en el

siguiente captulo; presin local.


47/139

25

[ ]psiPatm 55,10= , presin atmosfrica en Riobamba.

La presin absoluta de trabajo ser entonces:

atmmtrabajo PPP += (3.2)

55,1045 +=trabajoP

[ ]psiaPtrabajo 55,55=

Siendo:

trabajoP : Presin de trabajo absoluta

mP : Presin manomtrica

Volumen especifico del vapor.

Con psiaPtrabajo 55,55= , en las tablas de vapor se determina el volumen especfico del

vapor.

=

=

Kg

m

lb

ftv

33

4817,07149,7

Se tiene que:

v

1= (3.3)

=

3076.2

mKg

4

2DA = (3.4)

Para un ducto de in4

1cedula 40, se calcula la velocidad:

( )6647,0076,200417,0

=

V


48/139

26

=

s

m211,30V

A travs de una hoja de clculo (EXCEL), se obtiene diferentes velocidades, paradistintos ductos cdula 40.

Tabla 3.1: CLCULO DE LA VELOCIDAD EN EL DUCTO DE VAPOR.

Para evitar prdidas de carga, y por ser comercial, se selecciona un ducto de [ ]in2

1,

con una velocidad de flujo igual a

s

m243,10

.

Seleccin de la vlvula de estrangulamiento.

Cuando un fluido se expande desde una regin de alta presin hasta otra de baja

presin generalmente se hace trabajo, o se producen cambios en la energa potencial y

cintica. Cuando no ocurren tales efectos se dice entonces que el proceso es de

estrangulamiento. Por lo general se realiza mediante vlvulas que estrangulan el fluido,

pues este al adquirir una velocidadalta se disipa en turbulencia, o pueden reducirse a cero

mediante la correcta seleccin del tubo.

Una vlvula de estrangulamiento es simplemente una restriccin al flujo, se reduce la

presin, no realiza trabajo por lo tanto la transferencia de calor es mnima. Si se elige el

volumen de control suficientemente alejado de dicha restriccin, el cambio de energa

cintica resulta pequeo.

F 15

55,55

F E D

40 (/) (/) () () (/)

0,00417 0,48201 0,0092 6,64761E05 30,21198571

0,00417 0,48201 0,0125 0,000122718 16,36571181

0,00417 0,48201 0,0158 0,000196067 10,24332026

0,00417 0,48201 0,021 0,000346361 5,798509004

1 0,00417 0,48201 0,0266 0,000555716 3,614029157


49/139

27

Vlvulas industriales. [8]

Son vlvulas industriales, el tipo de vlvula que como elemento mecnico se emplea

para regular, permitir o impedir el paso de un fluido a travs de una instalacin industrial o

mquina de cualquier tipo.

Componentes de una vlvula industrial.

Las vlvulas industrialesestn compuestas de los siguientes elementos:

Cuerpo:Es la parte a travs de la cul circula el fluido.

Obturador: Es el elemento que hace que la seccin de paso vare, regulando el

caudal y por tanto la prdida de presin. Accionamiento:Es la parte de la vlvula que hace de motor para que el obturador

se site en una posicin concreta. Puede ser motorizado, mecnico, neumtico,

manual o electromagntico.

Cierre:Une el cuerpo con el accionamiento. Hace que la cavidad del cuerpo y del

obturador donde hay fluido sea estanco y no fugue.

Vstago:Es el eje que transmite la fuerza del accionamiento al obturador para que

este ltimo se posicione.

Figura 3.1: Vlvulas.


50/139

28

Clasificacin de las vlvulas industriales.

Las vlvulas industriales tienen diversos usos por lo tanto se pueden encontrar de

distintos tipos segn sea el requerimiento, las ms importantes son:

Vlvula de globo.

Vlvula de compuerta.

Vlvula de esfrica.

Vlvula de globo.

La vlvula de globo es de vueltas mltiples, en la cual el cierre se logra por medio de

un disco o tapn que sierra o corta el paso del fluido en un asiento que suele estar paralelo

con la circulacin en la tubera.

Esta vlvula se recomienda para accionamiento frecuente, estrangulacin o

regulacin, cuando es aceptable cierta resistencia a la circulacin.

Entre sus ventajas podemos encontrar:

Estrangulacin eficiente con estiramiento o erosin mnimos del disco o asiento.

Carrera corta del disco y pocas vueltas para accionarlas, lo cual reduce el tiempo y

desgaste en el vstago y en el bonete.

Control preciso en la circulacin.

Una de sus desventajas en comparacin con los otros tipos de vlvulas es su elevado

costo, y un incremento en la cada de presin, puede estar construida de diferentes

materiales como, bronce, hierro, hierro fundido, acero forjado, Monel, acero inoxidable,

plsticos.


51/139

29

Figura 3.2: Vlvula de globo.

Vlvula de compuerta.

Esta vlvula efecta su cierre con un disco vertical plano, que se mueve

verticalmente al flujo del fluido. Por su disposicin es adecuada generalmente para el

control todo o nada, ya que en posiciones intermedias tiende a bloquearse. Tiene la ventajade presentar muy poca resistencia al flujo del fluido cuando est en posicin de apertura

total.

Se las utiliza en servicio con apertura total, sin estrangulacin, para uso poco

frecuente, resistencia mnima a la circulacin, en pocas cantidades de fluido o liquido

atrapado en la tubera.

Entre sus ventajas se pueden mencionar:

Alta capacidad.

Cierre hermtico.

Bajo costo.

Diseo y funcionamiento sencillos.

Poca resistencia a la circulacin.

Entre sus desventajas se tiene:

Control deficiente de la circulacin.

Se requiere mucha fuerza para accionarla.

Produce cavitacin con baja cada de presin.

Debe estar abierta o cerrada por completo.

La posicin para estrangulacin producir erosin del asiento y del disco.


52/139

30

Figura 3.3: Vlvula de compuerta.

Vlvula Esfrica.

Las vlvulas esfricas son de41 de vuelta, en las cuales una esfera taladrada gira

entre asientos elsticos, lo cual permite la circulacin directa en la posicin abierta y corta

el paso cuando se gira 90.

Estas vlvulas se utilizan para servicio de conduccin y corte, sin estrangulacin, cuando

se requiere apertura rpida, en temperaturas moderadas, cuando se necesita resistencia

mnima a la circulacin.

Entre sus ventajas estn:

Bajo costo.

Alta capacidad.

Corte bidireccional.

Circulacin en lnea recta.

Pocas fugas.

Se limpia por si sola.

Poco mantenimiento.

No requiere lubricacin.

Tamao compacto.

Sus principales desventajas son:

Caractersticas deficientes para estrangulacin.

Alta torsin para accionarla. Susceptible al desgaste de sellos o empaquetaduras.


53/139

31

Propensa a la cavitacin.

Figura 3.4: Vlvula de esfrica.

El objetivo de la vlvula, en la presente tesis, es el de obtener un proceso de

expansin adiabtica, en el cual toda la energa se disipa en forma de calor irreversible y

sin realizar trabajo externo, es el denominado proceso de estrangulamiento.

Analizando las caractersticas, ventajas y desventajas de diferentes vlvulas, se

selecciona la vlvula de globo.

Luego de la expansin adiabtica,el estado del vapor al final del proceso es

recalentado, en estas condiciones el vapor pasa a una cmara donde se puede evaluar supresin y su temperatura.Si la salida de esta cmara es a la atmosfera, la presin final ser

la atmosfrica local. Los cambios de velocidad son despreciables.

Figura 3.5: Cmara de expansin


54/139

32

Dimensionamiento de la cmara de expansin.

Para dimensionar la cmara de expansin se utiliza la ecuacin de continuidad,

igualando el flujo de masa en el ducto seleccionado (punto 1) con el de la cmara (punto

2).

21

oo

mm = (3.5)

222111

= VAVA (3.6)

Dnde:

= 31 0755,2 m

Kg

[ ]21 000196,0 mA =

=

s

mV 243,101

=

323462,1

m

Kg

=

smV 52 (Velocidad tentativa)

( )( )( )53462,1

000196,0243,100755,22 =A

22 000619,0 mA =

Entonces:[ ] [ ]incmD 1053,18075,22 ==

Del volumen especfico:

o

mVv = (3.7)

V: Volumen total de la cmara de expansin

[ ]30031,0 mV = LAV 2= (3.8)


55/139

33

[ ]mL

L

0034,5

000619,0

031,0

=

=

En la primera iteracin, se puede observar que la cmara de expansin tiene las

siguientes medidas:

[ ]

[ ]mL

mD

0034,5

028,0

=

=

Estas medidas al no guardar una proporcin son descartadas, por lo cual se procede a

una nueva iteracin dando un nuevo valor de la velocidad del vapor en la cmara.

A travs de una hoja de clculo (EXCEL), se obtiene diferentes dimetros, para

distintas velocidades del flujo:

Tabla 3.2: DIMETRO DE LA CMARA DE EXPANSIN.

De igual forma, se obtiene diferentes longitudes para distintos dimetros:

1 1 D 1 2 D 2 2 D 2 D 2

(/) (2) (/3) (/) (/3) (2) () ()

1 I 10,243 0,000196 2,0755 5 1,3462 0,000619 2,8075 1,1053

2 I 10,243 0,000196 2,0755 4 1,3462 0,000774 3,1389 1,2358

3 I 10,243 0,000196 2,0755 3 1,3462 0,001032 3,6245 1,4269

4 I 10,243 0,000196 2,0755 2 1,3462 0,001548 4,4390 1,7476

5 I 10,243 0,000196 2,0755 1 1,3462 0,003095 6,2777 2,47156 I 10,243 0,000196 2,0755 0,5 1,3462 0,006191 8,8781 3,4953

7 I 10,243 0,000196 2,0755 0,35 1,3462 0,008844 10,6113 4,1777

8 I 10,243 0,000196 2,0755 0,25 1,3462 0,012381 12,5555 4,9431

9 I 10,243 0,000196 2,0755 0,15 1,3462 0,020635 16,2090 6,3815

10 I 10,243 0,000196 2,0755 0,1 1,3462 0,030953 19,8519 7,8157


56/139

34

Tabla 3.3: LONGITUD DE LA CMARA DE EXPANSIN.

Luego de realizar 10 iteraciones, se selecciona las medidas que tienen una proporcin

adecuada para la cmara de expansin:[ ]

[ ]inL

inD

84,9

94,4

=

=

Diseo mecnico de la cmara de expansin. [9]

Con los datos de dimetro y longitud, se diseala cmara, para lo cual se basa en el

clculo de recipientes a presin de las normas ASME seccin VIII divisin II.

Los recipientes a presin estn sometidos a diversas cargas, que causan esfuerzos dediferentes intensidades en los componentes del recipiente, el tipo e intensidad de los

esfuerzos es una funcin de la naturaleza de las cargas, o de la geometra del recipiente y

su construccin.

Cargas.

Un recipiente a presin puede estar sometido a las siguientes cargas:

Presin interna o externa Peso del recipiente y su contenido

Reacciones estticas del equipo auxiliar.

Presin del viento y fuerzas ssmicas.

Reacciones por impacto debido a choque hidrulico.

Gradientes de temperatura.

D 2

() (2) (3) () () ()

1 I 0,02807 0,00062 0,00310 5,0034 500,339 196,984

2 I 0,03139 0,00077 0,00310 4,0027 400,271 157,587

3 I 0,03624 0,00103 0,00310 3,0020 300,203 118,190

4 I 0,04439 0,00155 0,00310 2,0014 200,135 78,793

5 I 0,06278 0,00310 0,00310 1,0007 100,068 39,397

6 I 0,08878 0,00619 0,00310 0,5003 50,034 19,698

7 I 0,10611 0,00884 0,00310 0,3502 35,024 13,789

8 I 0,12555 0,01238 0,00310 0,2502 25,017 9,849

9 I 0,16209 0,02064 0,00310 0,1501 15,010 5,910

10 I 0,19852 0,03095 0,00310 0,1001 10,007 3,940


57/139

35

Esfuerzos.

Se pueden presentar diferentes esfuerzos en un recipiente a presin, tales como: Esfuerzo a la tensin.

Esfuerzo longitudinal o a la compresin.

Esfuerzo producidos por la combinacin de sismos o de la presin del viento con

otras cargas.

Esfuerzo primario general de membrana inducido por cualquier combinacin de

cargas.

Esfuerzos en cascos cilndricos.

La presin uniforme, interna o externa, induce en la costura longitudinal un esfuerzo

unitario igual al doble de la que obra en la costura circunferencial, por la geometra misma

del cilindro.

Cuando otras fuerzas, viento, ssmicas, etc., no son factores importantes, un

recipiente sujeto a presin externa, debe disearse para resistir solo la deformacincircunferencia, las normas establecen el mtodo de diseo para llenar tal requisito. Cuando

acten adems otras cargas, la combinacin de las mismas puede ser la que rija, y podr

requerirse una placa de mayor espesor que el necesario para resistir nicamente la

deformacin circunferencial.

El esfuerzo a la compresin debido a la presin externa y el esfuerzo a la presin

interna se determinan mediante las siguientes frmulas.

Junta circunferencial.

t4

PDS1 = (3.9)


58/139

36

Junta longitudinal.

t2

PDS1 =

(3.10)

Dnde:D = Dimetro medio del recipiente. [ ]in .P = Presin interna o externa

2in

lb .

S1 = Esfuerzo longitudinal

2in

lb .

S2 = Esfuerzo circunferencial

2in

lb .

t = espesor del casco, sin margen por corrosin [ ]in .

Presin interna.

Para disear un recipiente a presin sometido a presin interna, se debe conocer los

siguientes conceptos.

Presin de operacin.

Es la presin que se requiere en el proceso y del que forma parte el recipiente, a la

cual este trabaja normalmente.

Presin de diseo.

Es la presin que se emplea para disear el recipiente. Se recomienda disear un

recipiente y sus componentes para una presin mayor de la de operacin. Este requisito se

satisface utilizando una presin de diseo de 30 psi o 10 % ms de la presin de trabajo, la

que sea mayor.

Tambin debe tomarse en consideracin la presin del fluido y de cualquier otra

sustancia contenida en el recipiente.


59/139


60/139

38

Diseo de la cmara de expansin.

A continuacin se presentan las ecuaciones que se emplean para el clculo del

espesor de pared requerido y la presin mxima de trabajo para los tipos de casco y decabeza de uso msfrecuente. Las ecuaciones para casco cilndrico se dan para la costura

longitudinal, ya que es la que rige generalmente.

El esfuerzo de la costura circunferencial rige solamente cuando la eficiencia de la

junta circunferencial es menor que la mitad que la eficiencia de la junta longitudinal, o

cuando adems de la presin interna, hay cargas adicionales como el viento que produce

flexin o tensin longitudinal. La razn de esto es que el esfuerzo que se origina en la

costura circunferencial es igual a la mitad del que se origina en la costura longitudinal.

De acuerdo con esto las frmulas para la costura circunferencial son:

Par el espesor de pared del casco:

d

d

P0,6-ES

RPt= (3.11)

Figura 3.6: Espesor casco cilndrico.

Para la presin de diseo:

t0,6R

tESPd

+= (3.12)

Para cabeza elipsoidal:

d

dc P0,2-E2S

DPt = (3.13)


61/139


62/139

40

Se selecciona del ANEXO 3 una placa de acero SA-515 grado C, para recipientes a

presin servicios a temperatura media y alta.

En la tabla 3.4 se selecciona el esfuerzo del material a una temperatura en el rango de

[ ]Ca 5,3150 : [ ]psiS 15000= La eficiencia de la junta se selecciona del ANEXO 2.

E = 0,6, para una junta a tope de un solo cordn sin tira de respaldo, no examinada.

Se procede al clculo del espesor de pared del casco.

( )( ) ( )85,550,60,615000

47,285,55t

=

t = [ ]in0236,0 .A este valor de espesor de casco, se suma un margen de corrosin de [ ]in125,0 .

t = [ ]in148,0 = [ ]in75,3 .

Se determinan ahora, los esfuerzos longitudinal y circunferencial de la cmara de

expansin.

Para el esfuerzo longitudinal se reemplazan los datos en la ecuacin (3.10), se tiene:

( )

( )0,1482

088,585,55S2 =

S2= [ ]psi5,1470 .

El del esfuerzo circunferencial, se calcula con la ecuacin (3.9), obteniendo:

( )( )148,04

5,08885,55S2 =

S1= [ ]psi26,735 .

Para determinar el espesor de la cabeza elipsoidal del casco se aplica la ecuacin (3.13)

( )( ) ( ) ( )85,550,20,6150002

94,485,55tc

=

t = [ ]in0234,0 .


63/139

41

Agregndole el margen de corrosin se tiene:

t = [ ]in1484,0 = [ ]m76,3 .

Para determinar la altura de la cabeza elipsoidal, se utiliza la siguiente ecuacin:

4Dh i= (3.14)

h = Altura de cabeza elipsoidal [in].

Di= Dimetro interno de la cabeza elipsoidal [in].

4

4,94h =

h = [ ]in235,1 .

Figura 3.8: Cabeza elipsoidal.

Seleccin del aislamiento trmico.

Las prdidas de calor por conveccin deben reducirse al mnimo, por lo que, los

elementos que transportan el vapor deben estar aislados trmicamente.

Conduccin de calor en paredes cilndricas.

Esta teora se aplica en el clculo de la cantidad del calor que se pierde en tuberas

aisladas.


64/139

42

Figura 3.9: Paredes cilndricas con aislante.

La prdida del calor depender del espesor del aslate que se utilice en la tubera,

est perdida se la evala con la ecuacin Fourier:

R

TTq 0i

= (3.15)

Dnde:

q = Es el calor que se pierde en la tubera.

Ti = Temperatura del vapor.

To= Temperatura del ambiente.

R = Circuito trmico equivalente, por conveccin y conduccin.

En el circuito trmico equivalente se encuentran tanto las resistencias trmicas de

conveccin como las de conduccin.

Resistencia trmica por conveccin desde el fluido a Ti, hasta la superficie de la

pared a T1,A1 = 2..ri.L

ii1 Ah

1R = (3.16)

Resistencia trmica por conduccin, en la pared cilndrica de espesor r1 ri, desde T1a T2.


65/139

43

Lk2

r

rln

R1

i

1

2

= (3.17)

Resistencia trmica por conduccin en la pared cilndrica (aislante) de espesor r0r1desde T2 a T3.

Lk2

r

rln

R2

1

0

3

= (3.18)

Resistencia trmica por conveccin desde la superficie de la pared a T3, hasta A0=2..r0.L.

oo1 Ah

1R = (3.19)

Conveccin.

La conveccin es el mecanismo transferencia de calor a travs de un fluido con

movimiento masivo de ste. En la conveccin existe movimiento del fluido a nivelmacroscpico mientras que en la conduccin existe movimiento a nivel microscpico,

atmico o molecular, pero no a nivel macroscpico, entendiendo como nivel macroscpico

movimiento de volmenes relativamente grandes del fluido.

Conveccin forzada.

En la conveccin forzada se obliga al fluido a fluir mediante medios externos, para el

caso de flujo interno, el fluido debe estar completamente confinado por las superficies

interiores del tubo.


66/139

44

Conduccin.

La conduccin de calor se debe a un gradiente de temperatura en el interior de un

medio o en medios diferentes. El proceso de propagacin de la energa se ocasiona al

contacto directo entre las partculas de un cuerpo o entre cuerpos, a distintas temperaturas.

Va acompaada, generalmente, de variaciones de temperatura en el espacio y en el tiempo.

Nmeros a dimensionales. [10]

En el anlisis de la conveccin es prctica comn quitar las dimensiones a las

expresiones fsico-matemticas que modelan el mecanismo y agrupar las variables, dando

lugar a los nmeros a dimensionales. En conveccin se emplean los siguientes nmeros a

dimensionales:

Nmero de Nusselt (Nu)

Representa la relacin que existe entre el calor transferido por conveccin a travs

del fluido y el que se transferira si slo existiese conduccin.

Nmero de Nusselt Para conveccin natural superficies exteriores.

25,0)Ra(53,0Nu = (3.20)

94

10Ra10:Para


67/139

45

Nmero de Nusselt Conveccin forzada superficies exteriores:

+

=

1Pr8

f7,1207,1

PrRe

8

f

Nu3

2 (3.21)

o

co

k

LhNu = (3.22)

h0 = Coeficiente de transferencia de calor por conveccin

Ffth

Btuo2

Ra = Nmero de Rayleigh.

k = Coeficiente de conductividad trmica.

Ffth

Btuo

Lc= longitud caracterstica. [ft].

Nmero de Prandtl(Pr).

Representa la relacin que existe entre la difusividad molecular de la cantidad de

movimiento y la difusividad molecular del calor o entre el espesor de la capa lmite develocidad y la capa lmite trmica, este valor se lo obtiene de tablas con la temperatura de

saturacin del caldero.

Nmero de Reynolds (Re)

Representa la relacin que existe entre las fuerzas de inercia y las fuerzas viscosas

que actan sobre un elemento de volumen de un fluido. Es un indicativo del tipo de flujo

del fluido, laminar o turbulento.

Para tubos: si Re < 2300 el flujo es laminar. Si 2300 < Re < 10000 el flujo es de

transicin. SiRe > 10000el flujo es turbulento.


68/139

46

cLVRe

= (3.23)

Dnde:= Densidad del fluido

Lc= Longitud caracterstica

= Viscosidad dinmica

Nmero de Grashof(Gr)

Es un nmero a dimensional en mecnica de fluidos que es proporcional al cociente

entre las fuerzas de flotacin y las fuerzas viscosas que actan en un fluido.Las propiedades del vapor se encuentran en el ANEXO 4 [22].

Datos para el clculo.

Se presentan todos los parmetros necesarios para determinar el espesor del aislantede la tubera.

Dimetro exterior tubera2

1(Lc2.) = 0,84 in= 0.07 [ ]ft .

Radio exterior de la tubera ( )121

r = 0,035 [ ]ft .

Radio interior de la tubera ( )ir21

= 0,0259 [ ]ft .

Temperatura ambiente (T0 )= 20 [ ]C .

Temperatura superficie del tubo (T2 )= 220 [ ]F (asumido).Temperatura del vapor (Ti )= 287.67 F , a 55.55 [ ]psia .

Velocidad del vapor =s

m243,10 =

s

ft6,33

Viscosidad dinmica ()=

sft

lb102171,9 6

Longitud de la tubera 2m = 6,56 [ ]ft

Nmero de Prandtl(Pr)= 0,9514 para vapor a 287,67 [ ]F


69/139

47

Coeficiente de conductividad trmica del vapor (ki)= 0,0167

Ffth

Btuo

Coeficiente de conductividad trmica de la tubera (k1

)= 33,7649

Ffth

Btu

o

Clculo del aislante.

Un buen aislamiento trmico puede conseguir de forma permanente y continua que la

temperatura de la superficie del ducto, se mantenga por encina de la del roco del ambiente,

con lo que se evitara su condensacin.

Resistencias trmicas.

Se calcula las resistencias trmicas,del circuito trmico:

Resistencia 1

El nmero de Reynolds es:

( )( )610x2171,91295,00518,059,33Re

=

15,24462Re =

Para 10000Re > se considera flujo turbulento.

El factor de friccin es:

( )2

10 64,1Relog82,1f

= (3.24 )

( )[ ]

02482,0f

64,147,35814log82,1f 210=

=

Para conveccin forzada en la ecuacin (3.21)


70/139

48

( )

( )

+

=

19514,08

02482,07,1207,1

9514,015,244628

02482,0

Nu

3

2

97,68=Nu

Con el valor del nmero de Nusselt ahora se encuentra el coeficiente de transferencia de

calor por conveccin del vapor (ecuacin 3.22).

( )0518,0

0167,097,68hi =

=

Ffth

Btu224,22h

o2i

Entonces:

( )( )56,60259,0224,221

R1 =

= Btu

Fh

R 04212,01 Resistencia 2.

Resistencia trmica por conduccin en la tubera.

Reemplazando los valores en la ecuacin (3.17) se tiene:

( )( )56,67649,3320259,0035,0ln

R2

=

=

Btu

Fh000216,0R2

Resistencia 3

Es la resistencia que se da por el aislante, como el primer clculo se lo realiza sin

aislante, entonces 3R es nulo


71/139

49

Resistencia 4

Resistencia trmica por conveccin del aire.

En este caso se tiene conveccin natural del aire hacia el ducto, para lo cual sedeterminan los siguientes parmetros:

Para obtener las propiedades del aire se lo hace a temperatura flmica.

2wo

f

TTT

+= (3.25)

DondefilmicaatemperaturTf :

ambienteatemperaturTo :

ductodelerficieladeatemperaturTw sup:[ ]F144

2

22068Tf =

+=

En la tabla 3.7, encontramos las propiedades para el aire a la temperatura flmicaPr = 0.72

=

Ffth

Btu01628,0k

oo

=2

62

ftF1103596,1g

En la conveccin natural otro parmetro necesario para determinar el valor del

coeficiente de transferencia de calor es el nmero de Grashof cuya ecuacin es:

( )( )3cow2

LTTg

Gr =

(3.25)

Donde se tiene:

Lc= longitud caracterstica

Reemplazando los valores se tiene:


72/139

50

( )( )36 07,068220103506,1Gr =

8816,70414=Gr

Con el nmero de Grashof y Prandtl, se calcula el nmero de Rayleigh

GrRa Pr= (3.26)

56,51036=Ra

Para 104< Ra < 109 se tiene que

( ) 25,053,0 RaNu =

966,7=Nu

De la ecuacin (3.22) se tiene:

( )07,0

01628,0966,7ho =

=

Ffth

Btu8526,1ho

Se determina el valor de R4:

( )( )( )56,607,08526,11

R4 =

=

Btu

Fh374,0R4

Con los valores de las resistencias trmicas se puede determinar la perdida de calor,

para lo cual se tiene:

374,0000216,00421,0

6867,287

++

=q

=h

Btu4358,527q

Como la temperatura de la superficie del tubo es asumido, se calcula esta temperatura.

Despejando de la ecuacin de las prdidas de calor se tiene:( )2112 RRqTT += (3 .27)

( )000216,00421,04358,52767,2872 +=T

[ ]F34,265T2 =


73/139

51

Como la temperatura asumida es diferente a la calculada se realiza otra iteracin, a travs

de una hoja de clculo (EXCEL).


74/139

52

Tabla 3.8: HOJA DE CLCULO PARA PRDIDAS DE CALOR DUCTOS.

Se realiza varias iteraciones hasta que la temperatura asumida sea igual a la

temperatura calculada, se obtiene que la prdida de calor sin aislante es:

=

h

Btu94,551q

0,01

0,84 0,07

0,622 0,0518

6,56

58,4472 33,770

0,1295

9,217E06

0,9514

0,0167

1158035

68

264,3

0,016723

0,038 0,021956

0 0

0,84 0,07

287,67

0,72

33,59

24462,149

0,02482368,979773

22,224351

56139,508

8,1581751

1,948988

0,0421218

0,0002159

0

0,3556625

(/) 551,93445

EIECIA

EIECIA 1

EIECIA 2

EIECIA

#

#

(/ 2)

(/)

#

F :#

(/ 2)

E ()

D

(F)

#

C

(F)

(F)

C (B/ F)

C (/C)(B/F)

(/)

D (),()

#

C (B/ F)

D (),()

()

C (/C)(B/F)

D (/3)

D (/)


75/139

53

Se selecciona lana de vidrio como material para aislar el ducto y la cmara de

expansin, para el clculo de la prdida de calor con aislante se lo realiza incrementando el

espesor desde un valor de 0,01 in.

De la misma manera que se calcul la prdida de calor del ducto sin aislante, se lo

realiza con aislante aumentando una resistencia ms, con ayuda de otra hoja de clculo.

Tabla 3.9: ITERACIONES ESPESOR DE AISLANTE.

Se selecciona un espesor de aislante de 1 pulgada, las prdidas de calor para los diferentesespesores de aislante se los presenta en el siguiente grfico.

1 2 1 2 2

(F) (F) ( ) ( ) () () (B/F) (B/2F) F /B F /B F /B F /B (B/)

287,67 68 6,56 0,0518 0,07 0 0,02196 1,949 0,04212 0,000216 0,000 0,356 551,94 0,42

287,67 68 6,56 0,0518 0,0716667 0,01 0,02196 1,781 0,04212 0,000216 0,026 0,358 515,21 0,43

287,67 68 6,56 0,0518 0,0733333 0,02 0,02196 1,731 0,04212 0,000216 0,051 0,362 482,09 0,44

287,67 68 6,56 0,0518 0,075 0,03 0,02196 1,683 0,04212 0,000216 0,076 0,366 453,64 0,45

287,67 68 6,56 0,0518 0,0766667 0,04 0,02196 1,639 0,04212 0,000216 0,101 0,369 428,95 0,46287,67 68 6,56 0,0518 0,0783333 0,05 0,02196 1,596 0,04212 0,000216 0,124 0,373 407,33 0,47

287,67 68 6,56 0,0518 0,08 0,06 0,02196 1,556 0,04212 0,000216 0,148 0,376 388,24 0,48

287,67 68 6,56 0,0518 0,0816667 0,07 0,02196 1,518 0,04212 0,000216 0,170 0,379 371,25 0,49

287,67 68 6 ,56 0,0518 0,0833333 0,08 0,02196 1,482 0,04212 0,000216 0,193 0,382 356,04 0,5

287,67 68 6,56 0,0518 0,085 0,09 0,02196 1,448 0,04212 0,000216 0,215 0,385 342,32 0,51

287,67 68 6 ,56 0,0518 0,0866667 0,1 0,02196 1,411 0,04212 0,000216 0,236 0,388 3 29,91 0,52

287,67 68 6,56 0,0518 0,0883333 0,11 0,02196 1,384 0,04212 0,000216 0,257 0,390 318,60 0,53

287,67 68 6,56 0,0518 0,09 0,12 0,02196 1,354 0,04212 0,000216 0,278 0,393 308,26 0,54

287,67 68 6,56 0,0518 0,0916667 0,13 0,02196 1,325 0,04212 0,000216 0,298 0,395 298,77 0,55

287,67 68 6,56 0,0518 0,0933333 0,14 0,02196 1,298 0,04212 0,000216 0,318 0,397 290,01 0,56

287,67 68 6,56 0,0518 0,095 0,15 0,02196 1,272 0,04212 0,000216 0,337 0,399 281,92 0,57

287,67 68 6 ,56 0,0518 0,1033333 0,2 0,02196 1,156 0,04212 0,000216 0,430 0,409 2 49,09 0,62

287,67 68 6,56 0,0518 0,1116667 0,25 0,02196 1,060 0,04212 0,000216 0,516 0,417 225,11 0,67

287,67 68 6,56 0,0518 0,12 0,3 0,02196 0,979 0,04212 0,000216 0,596 0,425 206,75 0,72

287,67 68 6,56 0,0518 0,1283333 0,35 0,02196 0,910 0,04212 0,000216 0,670 0,431 192,20 0,77287,67 68 6 ,56 0,0518 0,1366667 0,4 0,02196 0,849 0,04212 0,000216 0,739 0,436 1 80,36 0,82

287,67 68 6,56 0,0518 0,145 0,45 0,02196 0,797 0,04212 0,000216 0,805 0,441 170,52 0,87

287,67 68 6 ,56 0,0518 0,1533333 0,5 0,02196 0,750 0,04212 0,000216 0,866 0,446 162,18 0,92

287,67 68 6,56 0,0518 0,1616667 0,55 0,02196 0,708 0,04212 0,000216 0,925 0,450 155,02 0,97

287,67 68 6,56 0,0518 0,17 0,6 0,02196 0,671 0,04212 0,000216 0,980 0,453 148,80 1,02

287,67 68 6,56 0,0518 0,1783333 0,65 0,02196 0,637 0,04212 0,000216 1,033 0,457 143,33 1,07

287,67 68 6 ,56 0,0518 0,1866667 0,7 0,02196 0,607 0,04212 0,000216 1,084 0,460 138,49 1,12

287,67 68 6,56 0,0518 0,195 0,75 0,02196 0,579 0,04212 0,000216 1,132 0,463 134,15 1,17

287,67 68 6 ,56 0,0518 0,2033333 0,8 0,02196 0,554 0,04212 0,000216 1,178 0,466 1 30,26 1,22

287,67 68 6,56 0,0518 0,2116667 0,85 0,02196 0,531 0,04212 0,000216 1,223 0,468 126,73 1,27

287,67 68 6,56 0,0518 0,22 0,9 0,02196 0,509 0,04212 0,000216 1,265 0,471 123,51 1,32

287,67 68 6,56 0,0518 0,2283333 0,95 0,02196 0,490 0,04212 0,000216 1,306 0,473 120,57 1,37

287,67 68 6 ,56 0,0518 0,2366667 1 0,02196 0,431 0,04212 0,000216 1,346 0,476 1 17,83 1,42


76/139

54

Figura 3.10: Radio del aislante Prdidas de calor tubera.

En el grafico se muestra una tendencia a mantener constante las prdidas de calor al

aumentar el espesor del aislante, por lo cual se selecciona una cauela de 1 pulgada de

espesor.

De la misma forma se procede mediante iteraciones a determinar el espesor del

aislante en la cmara de expansin, cuyos datos se presentan en la siguiente tabla:

0,00

100,00

200,00

300,00

400,00

500,00

600,00

0 0,2 0,4 0,6 0,8 1 1,2 1,4 1,6

/

.


77/139

55

Tabla 3.10:HOJA DE CLCULO PRDIDAS DE CALOR CMARA DE

EXPANSIN

(/) 0,01

D (),() 5,563 0,4635833

D (),() 5,047 0,4206

() 0,7874

C (/C)(B/F) 58,4415628 33,767

D (/3) 0,1295

D (/) 9,40E06

# 0,9514

C (B/ F) 0,0167

C 1629642,5

(F) 68

(F) 160,65

C (B/ F) 0,0156865

C (/C)(B/F) 0,038 0,021956

E () 0 0

D 5,563 0,4635833

(F) 259,29

0,72

(/) 1,1482# 6653,89737

F : 0,035359294

# 26,84177462

(/ 2) 1,065799809

# 10830629,61

# 30,40460009

(/ 2) 1,028815587

EIECIA 0,901832754

EIECIA 1 0,000582693

EIECIA 2 0

EIECIA 0,847594933

(/) 109,3079231


78/139

56

Tabla 3.10: ESPESOR DEL AISLANTE EN LA CMARA DE EXPANSIN

Se selecciona un espesor de aislante de 1 pulgada, la prdida de calor es

h

Btu72,41 .

1 2 1 2 2

(F) (F) () () () () (B/F) (B/2F) (B/)

259,29 68 0,787 0,4206 0,463583 0 0,02196 1,958 0,90183 0,000583 0,000 0,848 109,31 2,781498

259,29 68 0,787 0,4206 0,4652497 0,01 0,02196 1,781 0 ,90183 0,000583 0,033 0,849 107,20 2,791498

259,29 68 0,787 0,4206 0,4669163 0,02 0,02196 1,731 0 ,90183 0,000583 0,066 0,850 105,18 2,801498259,29 68 0,787 0,4206 0,468583 0,03 0 ,02196 1,683 0,90183 0,000583 0,099 0,852 103,24 2,811498

259,29 68 0,787 0,4206 0,4702497 0,04 0,02196 1,639 0 ,90183 0,000583 0,131 0,853 101,39 2,821498

259,29 68 0,787 0,4206 0,4719163 0,05 0 ,02196 1,596 0,90183 0,000583 0,164 0,854 99,61 2,831498

259,29 68 0,787 0,4206 0,473583 0,06 0,02196 1,556 0 ,90183 0,000583 0,196 0,855 97,89 2,841498

259,29 68 0,787 0,4206 0,4752497 0,07 0 ,02196 1,518 0,90183 0,000583 0,229 0,856 96,25 2,851498

259,29 68 0,787 0,4206 0,4769163 0,08 0 ,02196 1,482 0,90183 0,000583 0,261 0,857 94,67 2,861498

259,29 68 0,787 0,4206 0,478583 0,09 0,02196 1,448 0 ,90183 0,000583 0,293 0,858 93,14 2,871498

259,29 68 0,787 0,4206 0,4802497 0,1 0,02196 1,411 0 ,90183 0,000583 0,325 0,859 91,67 2,881498

259,29 68 0,787 0,4206 0,4819163 0,11 0 ,02196 1,384 0,90183 0,000583 0,357 0,860 90,25 2,891498

259,29 68 0,787 0,4206 0,483583 0,12 0,02196 1,354 0 ,90183 0,000583 0,389 0,861 88,89 2,901498

259,29 68 0,787 0,4206 0,4852497 0,13 0 ,02196 1,325 0,90183 0,000583 0,421 0,862 87,57 2,911498

259,29 68 0,787 0,4206 0,4869163 0,14 0 ,02196 1,298 0,90183 0,000583 0,452 0,862 86,29 2,921498

259,29 68 0,787 0,4206 0,488583 0,15 0,02196 1,272 0 ,90183 0,000583 0,484 0,863 85,06 2,931498259,29 68 0,787 0,4206 0,4969163 0,2 0,02196 1,156 0 ,90183 0,000583 0,639 0,866 79,45 2,981498

259,29 68 0,787 0,4206 0,5052497 0,25 0 ,02196 1,060 0,90183 0,000583 0,792 0,868 74,64 3,031498

259,29 68 0,787 0,4206 0,513583 0,3 0 ,02196 0,979 0,90183 0,000583 0,943 0,870 70,45 3,081498

259,29 68 0,787 0,4206 0,5219163 0,35 0 ,02196 0,910 0,90183 0,000583 1,091 0,871 66,79 3,131498

259,29 68 0,787 0,4206 0,5302497 0,4 0,02196 0,849 0 ,90183 0,000583 1,237 0,871 63,54 3,181498

259,29 68 0,787 0,4206 0,538583 0,45 0,02196 0,797 0 ,90183 0,000583 1,380 0,871 60,65 3,231498

259,29 68 0,787 0,4206 0,5469163 0,5 0,02196 0,750 0 ,90183 0,000583 1,522 0,871 58,06 3,281498

259,29 68 0,787 0,4206 0,5552497 0,55 0 ,02196 0,708 0,90183 0,000583 1,661 0,870 55,71 3,331498

259,29 68 0,787 0,4206 0,563583 0,6 0 ,02196 0,671 0,90183 0,000583 1,798 0,869 53,59 3,381498

259,29 68 0,787 0,4206 0,5719163 0,65 0 ,02196 0,637 0,90183 0,000583 1,933 0,868 51,65 3,431498

259,29 68 0,787 0,4206 0,5802497 0,7 0,02196 0,607 0 ,90183 0,000583 2,066 0,866 49,87 3,481498

259,29 68 0,787 0,4206 0,588583 0,75 0,02196 0,579 0 ,90183 0,000583 2,198 0,865 48,24 3,531498

259,29 68 0,787 0,4206 0,5969163 0,8 0,02196 0,554 0 ,90183 0,000583 2,327 0,863 46,74 3,581498259,29 68 0,787 0,4206 0,6052497 0,85 0 ,02196 0,531 0,90183 0,000583 2,455 0,861 45,35 3,631498

259,29 68 0,787 0,4206 0,613583 0,9 0 ,02196 0,509 0,90183 0,000583 2,581 0,859 44,05 3,681498

259,29 68 0,787 0,4206 0,6219163 0,95 0 ,02196 0,490 0,90183 0,000583 2,705 0,857 42,85 3,731498

259,29 68 0,787 0,4206 0,6302497 1 0,02196 0,471 0,90183 0,000583 2,827 0,855 41,72 3,781498


79/139

57

Figura3.11: Radio del aislante Prdidas de calor cmara

Construccin de la cmara de expansin.

Para la construccin de la cmara de expansin se seleccion una tubera de 5 in de

dimetro con un espesor de 0.28 in, se cort una longitud de 24.5 cm, para luego poder

refrentar en el torno dejando una longitud de 24 cm calculados.

Figura 3.12: Tubo de 5 in.

Para confeccionar las tapas de la cmara se utiliz una placa de acero A-36 con un

espesor de 4 mm, con ayuda de la suelda oxiacetilnica se dio la forma a las tapas con un

dimetro de 5 in. De igual manera se iguala el contorno de cada tapa con el torno.


80/139

58

Figura 3.13: Tapas cmara

Para ubicar el termmetro y la vlvula de salida del vapor se realizaron dos agujeros

ubicados en el centro de las tapas, tanto en la superior para el termmetro como en la

inferior para la vlvula.

Para fijar el termmetro se sold un cono de bronce de in con ayuda de la

oxiacetilnica.

En el tubo se practic dos agujeros, uno para la entrada de vapor a una distancia de

de la base de la tubera y el otro en la mitad de la tubera, opuesta al agujero anterior

para ubicar el manmetro. Se sold en cada agujero un neplo in x 2in.

Las tapas se fijaron a la tubera con ayuda de la suelda elctrica

Figura 3.14: Cmara de expansin sin aislante.

Con la cmara de expansin construida se procede a aislarla utilizando lana de vidrio

de una pulgada de espesor

Aislada la cmara de expansin se cubri con tol galvanizado, dejando los agujeros

para los instrumentos, la entrada y salida de vapor.

Cubierta la cmara se colocaron los instrumentos y la vlvula para la salida del

vapor, a continuacin se coloc la cmara en la estructura fijndola a esta mediante

esprragos.


81/139

59

Figura 3.15: Instrumentos en cmara de expansin.

Luego de fijar la cmara de expansin en la estructura se procedi a colocar el sistema

de tubera que va hacia el caldero, en el cual se encuentra la vlvula de estrangulamiento,

para evitar fugas en el montaje de la tubera se utiliz tefln cubierto de sicaflex.

Figura 3.16: Montaje tubera.

Con la tubera montada se la aisl cubrindola con cauelas de lana de vidrio.

Con el calormetro instalado se procedi a realizar pruebas de funcionamiento


82/139

60

CAPTULO IV

4. CONTROL AUTOMTICO DELA CALDERA.

4.1. Control automtico [11].

Los instrumentos con los cuales se controla el correcto funcionamiento del caldero,

se vuelven ms complejos en correspondencia al tamao y potencia del mismo, en

consecuencia, la generacin de vapor en calderos de menor tamao de bajapotencia

requiereun reducido nmero de instrumentos, cuyo funcionamiento es ms simple, con el

empleo de estos, se obtiene una medida clara de los parmetros y seales provenientes; del

nivel de lquido, temperatura, presin y conservacin de la llama.

Figura 4.1: Tablero de control.

4.2. Control de nivel de Lquido.

Las calderas de operacin automtica, tienen que estar equipadas con un interruptor

de bajo nivel de lquido. La funcin de este control es, bloquear la operacin del

quemador.

El nivel de lquido normal en una caldera, puede variar segn el fabricante, pero

generalmente se lo hace hasta los dos terciosdel visor de nivel, a medida que la caldera


83/139

61

funcione, el lquido se convertir en vapor y saldr a travs de los ductos de vapor, debido

a esto, el nivel de lquido descender.

Al descender el nivel, por debajo de un punto crtico, los gases de combustin a

elevadas temperaturas producirn el reblandecimiento de los tubos de fuego y paredes de la

cmara de combustin, los cualespodran deformarse o fundirse, producindose en una

operacin poste

Date post:	01-Mar-2018
Category:	Documents
Upload:	miguel
View:	220 times
Download:	0 times

Calorimetro de e4strangulacion

Documents