DISEÑO DE CALDERAS INDUSTRIALES PIROTUBULARES O TUBOS DE FUEGO I. CALDERAS 1.1 DEFINICIÓN DE CALDERAS Las Calderas son equipos a presión de vapor de agua, mediante un sistema de combustión. Este vapor se aplica básicamente para transferir energía a algún medio, a fin de usarlo directamente o indirectamente en procesos industriales.
1.2. TIPOS DE CALDERAS Existen 2 tipos !.2.!. Calderas "cuotubulares !.2.2. Calderas #irotubulares. 1.2.1. Calderas Acuou!ulares" $on aquellas donde el agua flu%e por el interior de sus tubos % los gases de combustión flu%en externa rnamente a los tubos, generándose la transmisión de calor desde la parte exterior a la parte interior interior de de los tubos. tubos. $e les conoce Calderas de tubos de "gua& por lo general son de "lta #otencia #otencia % para para "lta "lta #resió #resión. n. #ara #otencia peque'a no es recomendable económicamente.
1.2.2. Calderas P#rou!ulares" $on aquellos donde los gases de combustión flu%e por el interior de los tubo tuboss % el agua agua circ circul ula a exte extern rnam amen ente te a los los tubo tubos, s, gene generá ránd ndos ose e la transmisión de calor desde la parte interna a la externa de los tubos. " estas estas Calderas Calderas tambi( tambi(n n se les conoce conoce como )ubos )ubos de *uego. *uego. #or lo general son para mediana potencia. 1.2.2.1. CLASIFICACIÓN DE LAS CALDERAS PIROTUBULARES #ara poder clasificar a estas Calderas es importante entender algunas definiciones. 1.2.2.1.1. De$#%#c#o%es I&'ora%es" A. Pasos" Pasos" recorrido de los +ases de combustión, desde la parte delantera a la poster posterior ior %o vic vicev evers ersa, a, % a aba-o aba-o acia acia arriba arriba o vic vicev evers ersa& a& durante el cual transfiere calor al agua. B. Pres#(% de Tra!a)o" Tra!a)o"
#resión a la cual traba-ará la Caldera. Esta presión puede ser igual o menor a la presión de /ise'o.
1.2.2.1.2. For&as de Clas#$#cac#(%" a. De acuerdo al %*&ero de 'asos" #uede ser a.1 0n paso 1 con deflectores a.2 /os /os pasos 1 con deflectores a.+ )res pasos 1 óptima eficiencia eficiencia en transferencia tr ansferencia a., Cuatro pasos. !. De ac acue uerd rdo o a la Co%$ Co%$##-ur urac ac#(% #(% de la 'ar 'aree Pos Poser er#o #orr o C&ara de Reor%o de Gases" !.1 a-a presión 1 de 3 a 43 !.2 5ediana 5ediana presión 1 de 43 a 433 !.+ "lta presión 1 más de 433 c. De ac acue uerd rdo o a la Co%$ Co%$##-ur urac ac#(% #(% de la 'ar 'aree Pos Poser er#o #orr o C&ara de Reor%o de Gases c.1 /e espalda $eca /onde se emplea refractario para rodear paredes paredes de dica dica cámara. cámara. c.2 /e /e espalda 6úmeda /onde se emplea una pared de agua para rodear rodear las las paredes paredes de de dica dica cámara. cámara. d. De acuerdo a la Pos#c#(% de los Tu!os" #uede ser d.1 6ori7ontales. d.2 8erticales. 8erticales. e. De acuerdo al Co&!us#!le U#l#/ado" #uede ser e.1 $ólido 1 le'a, carbón, etc. Líquido 1 /iesel 2, ú9er : % ;, etc. e.2 Líquido e.+ +aseoso 1 +as #ropano, +as
1.+.
USOS Los Calderos tiene uso múltiple
1.+.1. USOS DE LAS CALDERAS PIROTUBULARES" 3! 32 34 3= 3: 3; 3> 3? 3@ !3 !! !2 !4 != !: !; !> !? !@ 23 2! 22 24 2= 2:
6ospitales % Clínicas a'os $aunas 0niversidades, Colegios grandes, % Clubes % 6oteles Lavandería )intorerías *ábricas de *ideos *ábricas de galletas 1 +olosinas *ábricas de 6elados Conservas de #escado Camales Andustria "vícola *ábricas de #intura ases 5ilitares *ábricas de +aseosas 1 "guas 5inerales *ábricas de Cerve7a Andustrias Buímicas *ábricas de "limentos alanceados *ábricas de "ceites % +rasa efinerías 5inería Andustrias "utomotrices Andustrias de Cauco % Debe Laboratorio *armac(utico Andustrias )extiles Andustrias 5adereras
2; 2> 2? 2@ 43 4! 42 44 4= 4: 4; 4> 4? 4@ =3 =! =2 =4 == =: =; => =? =@ :3
*ábricas de Equipos de Línea lanca *ábricas de Ladrillos *ábricas de Cemento Embarcaciones 1 Cruceros Andustrias del otón 6ilandería Laneras *ábrica de #apel *ábrica de Envases Andustriales *ábrica de Embutidos *ábrica de edes *ábrica de Levadura *ábrica de Llantas *ábrica de Cigarrillos *ábrica #rocesadores de 5aí7 "desivos Andustriales Andustrias del Cal7ado Andustrias de la
1.+.2. APLICACIONES DEL 0APOR 1.+.2.1. Co%de%sac#(%" $e puede aplicar el vapor aprovecado principalmente el calor que cede al condensador de vapor a líquido, en las siguientes formas Calentamiento indirecto El vapor no entra en contacto con el material a procesar, más bien lo reali7a a trav(s de serpentines, indirectas de calor % caquetas de vapor Fmarmitas, tanques de combustible residual, etcG.
A. Cale%a&#e%o D#reco #or medio de "plicaciones del vapor directamente sobre el material a
procesar Fcocinador de pescado,etcG
B. Cale%a&#e%o de A#re" #or medio de radiadores Fintercambiar de calorG, se calienta aire para sistemas de calefacción de ambientes o para secado de productos. 1.+.2.2. APRO0ECAIENTO DE LA ENERG3A CIN4TICA DEL 0APOR $e puede aplicar el vapor aprovecando su energía cin(tica, creado al producirse una expansión del vapor a una presión ma%or en las formas. A. Fuer/a &or#/ e% 5u#%as" "provecando la energía del vapor se puede mover )urbinas % ombas "lternativas. B. Creac#(% de 0ac6o" La expansión del vapor crea vacío por medio de un in%ector, como por e-emplo el usado para in%ectar agua a la caldera. 1.,.
PAR7ETROS INDUSTRIALES PARA LA SELECCIÓN DE CALDERAS PIROTUBULARES 1.,.1. DEFINICIONES PRELIINARES Es importante acer definiciones % explicar conceptos empleados en el campo de la Caldera, los cuales servirán para interpretar las literaturas o informaciones escritas sobre el tema. A. CARGA T4RICA" 89: Es la cantidad de calor aprovecando por el agua asta lograr se evaporación % sobrecalentamiento, si es que la tiene. #ara poder elevado con rigurosidad se emplea el diagrama H) 1 $H %o )emperatura Entropía, teniendo en cuenta la condición inicial % final del agua. La forma más práctica de evaluar la carga t(rmica de la caldera es mediante la diferencia de entalpía entre el estado final e inicial del agua expresado como. B I Jxm F)0 6r, KG donde m I *lu-o de agua % producción de vapor en FKDsegG J I /iferencia de entalpías especifican vapor 1 agua. $e puede simplificar este cálculo % obtener resultados aproximados mediante una tabla de vapor saturado % considerando la diferencia de entalpía como la suma de la entalpía de calentamiento del agua asta la temperatura de saturación % el calor latente de evaporación a la presión
de traba-o así. /onde entalpía de calentamiento 6 cal cal I C pJ I =.!?;F) $ 1 ) B G K-Kg donde Cp Calor específico del agua I =.!?; K-Kg )s )emperatura de $aturación. )o )emperatura Anicial ig Entalpía de evaporación a presión #s FK-KgG #s Es la presión de )raba-o o de $aturación. #or lo tanto
J I cal M ig FK-KgG
E-emplo $i una Caldera está produciendo 2 333 Kg6r de vapor saturado a !2 bar de presión absoluto F!:@ #$A+G empleando agua a 2: ° C, la carga t(rmica será calculada así m #s )s )o cal ig
2333 Kg6r I 3.::: Kgseg !2 bar I !:@ #$A+ o #resión 5anom(trica !??° C 2:° C =.!?;F!??1 2:G I ;?2.24 K-Kg !@?;.> K-Kg
FdatoG FdatoG Fde )ablasG FdatoG Fde )ablasG
J I ;?2.42 M !@?;.> I 2;;@.32 K-Kg B I mxJ I 3.:::x2;;@.32 B I !=?!.4! KN Este mismo cálculo eco solamente de tablas vapor que inclu%en al líquido sub enfriado resaltando B I !,=;?.!? KN es decir 3.42O de error.
B. 0APOR NORAL 80%: Es la masa de vapor que se obtiene, con una cierta cantidad de calor, , es decir partiendo como líquido saturado vapori7ada de !33 ° C a !33 °C asta llegar a vapor saturado a nivel del mar Ftemperatura de saturación G, El calor requerido, o calor latente, por cada Kg de agua es de de !33 °C 22:> K-9g. E-emplo $iguiendo el e-emplo anterior, el vapor normal será 8 n I B I !=?!.4! 22: 22:>
8 n I 3.;:; Kgseg Esto equivale a 24;2.>= Kg6r que es ma%or a los 2333 Kg6r producidos realmente
C. FACTOR DE E0APORACIÓN $e define como f I Entalpina de ! Kg de vapor generado Entalpía de ! Kg de vapor normal #or los tanto se deduce que 8 n I fxm En el e-emplo anterior f I 8n I 2;;@.32 m 22:> f I !.!?2:: 8 n I !.!?22:F2333G 8 n I 24;:.!3 Kg6r
D. CAPACIDAD DE 0APORI;ACIÓN DE UNA CALDERA Es la capacidad de un generador de vapor en Kg6r Flb.6rG indicando la presión de )raba-o % la )emperatura de ingreso del agua. #ero como las calderas traba-an a presiones diferentes unas con otras, así como temperaturas de ingreso de agua, surge como una fortuna de expresar la potencia del equipo en 6p de Caldero. E. P DE CALDERO < BP La definición más aceptada para este concepto la dio la "$5E F"5EAC"< $CAE)P * 5EC6"
En t(rminos num(ricos esto equivale a ! 6# I 4= =>: )06r ! 6# I @.?! K
/e esto se puede concluir que el 6# /E C"L/E" es una unidad de calor, por lo que puede ser de diferentes 6#, dependiendo de la presión % de la )emperatura del agua de ingreso. E-emplo El 6# de la caldera del e-emplo es de 6# I carga )(rmica FKNG @.?!FKN6#G 6# I !=?!.4! @.?! 6# I !:! )ambi(n se emplea el 6# de caldero para dirigirse el tama'o de una caldera en base a la superficie de calefacción. #ara ello, la "$5E teniendo en cuenta que las calderas en esa (poca utili7aban la superficie de : pie2 para generar 4=.: lbs de vapor por ora.
F. EFICIENCIA T4RICA DE UNA CALDERA Es el porcenta-e total suministrado por el combustible que es cedido al agua, esto es Eficiencia I Calor cedido al "gua I B x!33FOG Energía del combustible 6 # #ero tambi(n, podemos expresar el calor cedido al agua como
9 = E%er-6a del Co&!us#!le < P>rd#das 'or c?#&e%eas < P>rd#das 'or a#sla&#e%o #or lo tanto Eficiencia I 6 # 1 # c 1 # a I ! 1 # c M # a x!33FOG 6 # 6 # 6 # # c # a
Calor cedido por el combustible. #(rdida por la cimenea. #(rdida por el aislamiento.
La eficiencia está influencia por 1 $uperficies de calefacción sucias incrustaciones u ollín 1 Buemador con funcionamiento defectuoso mala turbulencia en los deflectores % difusores de aire, tobera o capa rotativa defectuosa o mala atomi7ación del combustible.
1 1
egulari7ación de la combustión con aire excesivo, denotado por un nivel alto de oxígeno entre los productos de combustión. 5al aislamiento t(rmico de la caldera o fugas de calor por empaquetadura.
G. SUPERFICIE DE CALEFACCIÓN $egún reglamento alemán, es el área de la superficie medida del lado del fuego de las paredes expuestas, por un lado , o los gases que sirvan para la calefacción % por el otro, con el contacto con el agua. $egún "$5E la superficie de calefacción de la unidad generadora de vapor, es aquella parte de la superficie de transmisión de calor del aparato, expuesto por un lado al gas % por el otro el liquido que es calentado, medida del lado que recibe el calor. El valor empleado para la superficie de calefacción por cada 6#, actualmente fluctúa entre 24,: pie 2 por 6# para Calderas 8erticales % de : pie2 por 6# para Calderos 6ori7ontales. El optar por considerar : pie2 por 6# en Calderas 6ori7ontales, nos permite lograr una larga vida en proporción o la capacidad a trav(s de esta superficie se reali7a la transferencia de calor cu%as formas son
G.1 Tra%s$ere%c#a de calor 'or Rad#ac#(%" Esta forma de transferencia de calor es de gran importancia en este tipo de 5aquinas )(rmicas debido a las altas temperaturas en los ogares o cámaras de combustión. Esto trae con sigo que más del ;3O del calor se produce ma%ormente en la cámara de combustión. G.2 Tra%s$ere%c#a del calor 'or Co&!us#(% " $e produce los principales procesos de ganancia o disposición de calor, en el que intervienen un fluido. La conducción se refiere al calor que atraviesa una red sólida viniendo de un medio para luego llegar a otro. Es decir comprende el estudio de la resistencia al paso del calor en la pared que separa sus medios. Esta forma de transferencia de calor se produce en toda la superficie de Calefacción de la Caldera. G.+ Tra%s$ere%c#a de calor 'or Co%@ecc#(% $e entiende por convección al proceso de transferencia de energía que tiene lugar principalmente en los fluidos como consecuencia de este contacto con un sólido o diferentes temperaturas, por lo que unas partes de las masas de este fluido se me7cla con otras a diferentes temperaturas& ocurriendo un fenómeno de conducción entre mol(culas ad%acentes, pero la energía puede transmitirse a otros puntos del espacio por movimiento del fluido. Cuando el movimiento del fluido se debe a la existencia de fuer7a externas en la forma de diferencia de presión, este mecanismo se conoce con el
nombre de C<8ECCA< *Q"/". Cuando no se aplica ninguna fuer7a externa al fluido& este se mueve como consecuencias de las diferencias de densidades de la partes de un fluido a temperaturas diferentes por estar -untos a la superficie del sólido& a este fenómeno se le conoce como C<8ECCA< LAE. #ara poder evaluar la energía que se intercambia entre un fluido % un sólido, ambos a temperaturas medias, es necesario conocer un factor llamado coeficiente de película en cu%o cálculo están basadas las teorías concernientes a la convección. La Convección aporta una ma%or energía en los pasos de los gases por el interior del los tubos, que en la cámara de combustión.
1.,.2. SELECCIÓN DE UNA CALDERA 1.,.2.1. Facores &s I&'ora%es" A. Re5uer#&#e%os de 0a'or Capacidad #resión Calidad del 8apor B.
Co&!us#!le
C.
Corr#e%e El>cr#ca Considerando que en un 6otel Cocina 233 lbs de vapor6ora Lavandería =3; lbs de vapor6ora ;3 /ormitorios R
$egún "$5E desde 23 a ;3 dormitorios, el consumo máximo de agua caliente por dormitorios es de : galones6ora. Entonces ;3 /ormitorios consumirán :33 +alones6ora. Como se recomienda que el agua en el tanque se calienta en 43 en 43 minutos entonces la capacidad del tanque calentador debe ser de !:3 galones. "demás si la densidad del agua es aproximadamente ?.44 lbs galón a . ;3 °* Calcularemos el flu-o de masa a calentarse m m I 8xp donde m I *lu-o de masa de agua a calentar. 8 I flu-o de volumen
p I densidad del agua. m I 433 +alones x ?.44 lbs 6r galón m I 2=@@ libras6ora
/e agua a Calentar
Este flu-o de agua caliente será proporcionado por un calentador de agua a vapor. Considerando como fórmula general de transferencia de calor B I mxC pF) 2 1! G donde B I flu-o de calor 0)6r m I flu-o de masa lbs6r C p I Calor específico del agua !)0lb° * ) 2 I )emperatura máxima a calentar el agua ;3 ° C I!=3 °* ) ! I )emperatura inicial a ambiente !: ° C I ;3 °* eempla7ando B I 2=@@x!xF!=31;3G B I !@@@23 )0r Considerando una eficiencia del ?3O en el calentador de agua Br I B I !@@@23 n 3.? btenemos Br I 2=@@33 )06r $abemos que !6#
→ 44:33
)06r
Br I >.=; 6# Lo cual será proporcionado por 2:>.2> libras de vapor por ora, pues sabemos que ! 6#& producirá 4=.: lbs. de vapor por 6ora. #or lo tanto la capacidad de la caldera será #or Cocina I 433 libras de vapor6r I ?.;@ 6# Lavandería I =3; libras de vapor6r I !!.>; 6# ;3 /ormitorios I 2:>.4> libras de vapor6r I >.=; 6#
#or lo tanto la Caldera para "bastecer Cocina, Lavandería % los ;3 /ormitorios deben ser de Caldera I 2>.@! 6# Considerando una eficiencia en la caldera del ?3O La caldera deberá ser de 42.?= #or lo tanto $eleccionaremos 0na Caldera de #otencia 436# )ipo #irotubular #asos )res #E$AS< /E )""D #resión de /ise'o 2:3 #$A+ Configuración parte posterior Espalda seca #osición de los )ubos 6ori7ontales peración "utomático. )ipo de corriente "lterna 2238 % ;367 Combustible 0tili7ado /iesel
mar
1.,.+. ESTRUCTURA INTERNA ETERNA 1.,.+.1. Pares I&'ora%es de u%a Caldera P#rou!ular" #ara entender muco me-or definiremos sus partes más importantes A. El o-ar o C&ara de Co&!us#(%" En el cual se desarrolla la llama. Esto puede ser integrado a la caldera. El *lue o Cámara en un elemento de gran importancia en las calderas #irotubulares, pues aquí se transfiere la ma%or parte de calor acia el agua. especto a la configuración del *lue 6ori7ontal según el código "$5E #*) 1 !:, esto puede ser de 4 tipos
a.1 C#l#%dro L#so" Conformado por las plancas roladas % soldadas en sus extremos a las placas portatubos. $u superficie exterior es lisa. a.2 T#'o Ada&so%"
Conformado por tres tramos cilíndrico, pero unidos entre sí en forma de bridas soldadas.
a.2.1 C#l6%dr#co re$or/ado co% a%#llos" Es un Cilindro liso pero con anillo soldados a lo largo de la superficie exterior del *lue. a.+ C#l6%dr#co corru-ado" La $uperficie del *lue es ondulada. El empleo de algunos de estos de *lue esta suspendido a la capacidad de liberación de calor FsuperficieG % a la presión de traba-o. El tipo de *lue que se adopta menor a estos requerimientos es el del tipo corrugado, siendo la tendencia industrial actual de emplear este *lue en calderas, por su ma%or superficie calefactora de ma%or presión, debido a que las ondulaciones sirven de refuer7o, permitiendo al *lue ser de ma%or diámetro % debido a que las ondulaciones absorben esfuer7os de dilatación. El *lue del tipo corrugado tiene el inconveniente respecto al *lue liso de tener un proceso de fabricación más complicada % costoso.
1.,.+.2. CÓDIGO ASE Llamado tambi(n como el código de la "$5E& significa "merican $ociet% of 5ecanical Engineers F$ociedad "mericana de Angenieros 5ecánicosG. Es una sociedad subsidiada por el +obierno
1.,.,. PAR7ETROS INDUSTRIALES PARA LA CONSTRUCCIÓN DE CALDERAS PIROTUBULRES" PARTE EC7NICA I
1.,.,.1. Daos #otencia I =3 6# peración I automática #osición de los tubos I 6ori7ontal #asos I4 #resión de dise'o I 2:3 #$A+M∩ Configuración I Cámara seca Combustible a utili7arI /iesel
C. EL CONDUCTO DE UOS O TUBOS DE FUEGO #or donde los productos de la combustión salen del último paso de tubos para pasar a la cimenea. /icos productos se mueven impulsados por el tiro que crea la cimenea o por medio de ventiladores Ftiro for7adoG.
D. 9UEADOR El cual produce la combustión que libera la energía correspondiente. E. CONTROLES DE OPERACIÓN SEGURIDAD TANTO PARA LA COBUSTIÓN COO PARA EL 0APOR 1.,.,.+. PROCESO DE FABRICACIÓN DE LA CALDERA PIROTUBULAR Como se mencionó anteriormente, la selección de estos elementos se ará empleando el código H"$5E ALE "
I.
LAS PLACAS PORTATUBOS < ESPEOS Estos elementos por ser de tipo plano, son los que más resisten los esfuer7os de la caldera, siendo tambi(n las que más se deforman luego de cierto período de traba-o. Estos elementos se unen con todas las otras partes del recipiente a presión casco, cámaras de combustión % tubos. Las placas se conforman partiendo de planca planas, cortadas en forma circular externa e internamente, mediante oxiocorte con su respectivo bisel de soldaduras para su posterior unión con el casco % cámara de combustión. Luego de cortar % biseladas en ellas se tra7a las posiciones de las perforaciones, donde se alo-arán los extremos de los tubos, para su posterior taladrado. La operación de taladrado de placas se reali7a en un taladro radial, colocando una placa encima de al otra para que las perforaciones en ambas placas sean coincidentes. El diámetro de las perforaciones deberá sr adecuado a los tubos a
emplear, con la tolerancia % redonde7 adecuada. Esta característica se logra con el proceso final de limado, debiendo quedar la medida final de la perforación en valor diametral ma%or que el diámetro exterior del tubo entre el 23O % ;3O del espesor del tubo. $egún Código "$5E recomienda los siguientes diámetros de Caldera de acuerdo a la potencia de la misma.
A. Para C&ara de Fue-o Casco Placa aer#al De%o&#%ac#(% → $.". 232 #lanca de acero al cromo1manganeso1silicio, para calderas % recipientes a presión. → $.". 234 #lancas de acero de al níquel para calderas % recipientes a presión. → $.". 2?: #lancas de acero al carbono, de ba-o o intermedia resistencia para ca-a de furgo % para bridas. → $.". 2@@ #lancas de "cero al carbono1magnesio1 $ilicio, de alta resistencia para Calderas % recipientes a presión. → $.". :!: #lancas de "cero al carbono, de resistencia intermedia, para calderas soldadas a fusión u otros recipientes o presión de media o alta temperatura. A. Para Tu!os de Fue-o Tu!er6as de la Caldera" aer#al De%o&#%ac#(% → $.". :4 )uberías de acero con o sin costura, para conducción. → $.". !3: "cero for-ado para fabricación de bridas % conexiones. → $.". !3; )uberías de acero al carbono sin costura para servicios de alta temperatura. → $.". !>? )ubos de acero al carbono electrosoldado para Caldera. Es el mismo que el "$)5 !>?. → $.". !@2 )ubos de acero para caldera sin costura para servicio de alta presión igual al "$)5 !@2. → $.". 23@ )ubos de acero al carbono1molibdeno, para Calderas % $obrecalentadores. → $.". 22; )ubos de acero al carbono electrosoldados, para calderas % $obrecalentadores de alta presión.
Poe%c#a 8BP: /e 23 a ;3 1 /e ;3 a !33 1 /e !33 a !:31 /e !:3 a 22:1 /e 22: a 4:31 /e 4:3 a =331 /e =33 a ;331 /e ;33 a >331 /e >33 a ?331
D#&ero 8Pul-adas: =2 =? ;3 ;= >; ?2 ?? @; !!2
#o lo tanto como la potencia de la caldera a dise'ar es de =3 6# consideraremos /iámetro I =2 pulgadas El código "$5E para Calderas,plantea las recomendaciones de cálculo para placas refor7adas con tirantes. El artículo #+1=; del código, trata sobre espesores de palca requerida por una determinada presión admisible, influ%endo tambi(n el espaciamiento entre los tirantes o paso. En este artículo se plantea mediante una ecuación que, para una misma presión, a menor de placa el espaciamiento ente refuer7os debe ser menor, o que para un mismo espesor, a menor espaciamiento de tirantes la placa soportará ma%or presión. Expresado esto con la siguiente ecuación, resulta # I )2 xC F#$A+G p2 /onde ) espesor de la placa requerida, expresada en !; avos de pulgadas. # 5áxima presión de traba-o admisible F#$A+G p 5áximo paso medido entre los centros de los tirantes ad%acentes en la placa,esta distancia puede ser en forma vertical, ori7ontal o diagonal FpulgG. C Constante que varía el tipo de tirante. El artículo #*)12; recomienda, para Calderas #irotubulares un valor C I !4: con el fin de allar un máximo espaciamiento o paso.
"simismo el artículo #*)12;.:, expresa que para tirantes diagonales soldados en calderas ori7ontales del tipo escocesa, el paso máximo puede ser ma%or de ? =1!2H pero en ningún caso excederá !: veces el valor del diámetro del tirante. #ara nuestro dise'o # I 2:3 #$A+#resión de dise'o. #ara lo cual pide calcular la placa. )ener presente que según Código "$5E sección A #*)1@ el mínimo espesor para las placas portatubos está limitado tambi(n por su diámetro de acuerdo a la siguiente tabla
D#&ero de la Placa Pul-. 6asta 4; /e 4; a := /e := a >2 5ás de >2
Es'esor &6%#&o Pul-. != :!; 4? !2
#or lo tanto asumiendo un espesor de palca de !2 pulg. que equivales a ?!; de pulgadas con el valor de C I !4: se allará el paso máximo de los refuer7os. Luego se tiene como dato de cálculo para ) I ? # I 2:3 #$A+ C I !4: eempla7ando en la ecuación tendremos 2 p I )2 C !2 I F?G F!4:G !2 I F4=.:;G!2 # 2:3
p I :.?>H p I :>?H #osteriormente con la distribución de los tubos se recalcurará por ver si de todas maneras necesita refuer7os.
Co%clus#(%" #ara la confección de la placas portatubos se seleccionará el material "cero al Carbono Calidad "$)5 2?: ° C, !2H de espesor % =2H de diámetro. II.
EL OGAR O C7ARA DE COBUSTIÓN
Es importante mencionar que la cámara de combustión o *lue se conforma de plancas planas, las mimas que son curvadas o roladas en frío para luego ser soldadas. La cámara de combustión debe confeccionar con una adecuada tolerancia de redonde7 a fin de poderse unir satisfactoriamente con las placas1espe-os. $e recomienda como una forma práctica que la desviación diametral de esta parte no debe exceder a una ve7 el espesor de ella, pero siempre se debe considerar la olgura necesaria para el posterior traba-o de soldadura, garanti7ado una buena unión. )omando en cuenta que el caldero a dise'ar es de 43 6# seleccionaremos un *lue liso. #ara el caso en que el *lue sea liso, el código "$5E cu%a norma es #*)1!: establece los espesores del *lue en función de la presión admisible % el diámetro exterior. Cuando el espesor del *lue es menor o igual que 3.324 veces el diámetro del *lue se puede plantear la siguiente ecuación. #I !3 > t #$A+ / P cuando el espesor de *lue es ma%or que 3.324 veces el diámetro exterior del *lue se puede plantear la siguiente ecuación # I !>4333 t 1 2>: #$A+ / /onde # t /
#resión de traba-o máximo admisible o de dise'o F#$A+G espesor del *lue Fpulg.G /iámetro exterior del *lue Fpulg.G
#ara nuestro dise'o sabemos que # I 2:3 #$A+ #or experiencia se recomienda que el diámetro exterior del *lue est( dentro del rango de 4: al :3O del diámetro interior del casco o diámetro de la placa. #or lo tanto nuestro dise'o consideraremos el diámetro exterior del
*lue / I !; pulg. que equivale al 4?O del diámetro de la placa F=2HG. "demás, consideramos un espesor equivale a >!;H obtendremos que la relación ! t I 2 I 3.34!2: V 3.324 / !; #or tal motivo utili7aremos # I !>433 t 1 2>: / #I !>433F3.32>G 1 2>: # I 2;: #$A. El cual es ma%or que la presión de dise'o que es de 2:3 #$A por lo tanto es correcto dico espesor.
Co%clus#(%"
Noa II. Para Flue U o-ar co% A%#llos re$or/ados #ara el caso del *lue refor7ado con anillos la norma #*) del código
explica las reglas para el cálculo de este tipo de *lue. En la figura >.2 se muestra las características constructivas de este *lue. #ara todos los cálculos de este *lue se tiene, a la figura >12 la siguiente nomenclatura /o t L
#
/iámetro exterior del flue liso Fpulg.G Espesor mínimo requerido para el *lue Fpulg.G Longitud del dise'o del *lue anillado. )omando como la mínima distancia entre centros de anillos refor7ados ad%acentes o la distancia entre el centro del anillo de refuer7o con el centro de la soldadura de unión del *lue con la placa Fpulg.G #resión de traba-o máximo admisible F#$A+G
Las condiciones a cumplir, previas al cálculo son
Es'esor de a%#llo" Tr :!;H W )r W !4!;H )r W !.2: t Relac#(% alura
t I :!;H menor que ;3t ó 4;H
)emperatura de dise'o de *lue I 4?: ° C $egún los cálculos de transferencia de calor es >2: ° *. Los pasos a seguir para las dimensiones del *lue son a. b. c. d. e. f.
$e asume el valor de t % L, se determina las relaciones L/o % /ot. En la figura >.4 con el valor de L/o interceptar ori7ontalmente con la curva /ot. /esde este punto interceptar verticalmente con la curva de la para este casoG. temperatura F>2: °* /esde este último punto, interceptar ori7ontalmente asta el valor del factor . Comprar el valor de #á es menor, seleccionar un espesor de *lue t más grande o un valor menor de L con el fin de incrementar #á asta que sea igual o ma%or que #. $e calcula el valor de la presión admisible #á resultante según #á I F#$A+G /ot
Cuando se alla cumplido con los requisitos de la presión, se sigue con los requisitos del momento de inercia de la sección del anillo que viene un rectángulo 6rx)r. El momento de inercia requerida del anillo circunferencial debe ser ma%or que As calculado según "s As I /o LFt M LG" Fpulg=G != 2
/onde As 5omento de inercia requerida del anillo de refuer7o a su e-e neutro paralelo al e-e de *lue Fpulg = G. "s "rea seccional del anillo de refuer7o Fpulg.2 G " *actor obtenido de fig. >.4 #ara comprar el momento de inercia del anillo de refuer7o determinado anteriormente, se siguen los siguientes pasos !T
)eni(ndose conocido /o, L, t seleccionar 6r % )r, calcular el área "s. F"s I 6rx)rG % determinar su momento de inercia AFAI !!2 )rx6r 4 G, luego calcular el factor , factor del aldo dereco del ábaco de la fig. >.4 de la siguiente manera I #x/o t M "s
L
2T
En ábaco de la fig. >.4 interceptar ori7ontalmente el valor de calculado con la curva de la temperatura.
4T
a-ar verticalmente desde este punto asta la escala del factor " % allarlo.
=T
Evaluar el momento de inercia requerida As según la fórmula anterior de As.
:T
$i As calculado en el =T paso es menor que A calculado en el paso !T la selección del anillo asumido es correcta, pero si no lo es, seleccionar otros valores de 6r % )r asta que AsWA.
Noa III. Para Flue Corru-ado " continuación se procederá a dimensionar el *lue del tipo corrugado a la
norma #*)1!@, la cual establece que la máxima presión de traba-o admisible, para un *lue con proporciones lisas en los extremos no ma%ores que @H, se puede obtener de la siguiente manera # I Cxt F#$A+G / /onde # 5áxima presión de traba-o admisible F#$A+G t Espesor de *lue, no menor que :!;HFpulg.G / /iámetro medio del *lue corrugado Fpulg.G C Constante que varía con las características de las ondulaciones del *lue.
III.
CI
!> 433 para corrugaciones no ma%ores que ?H de centro a centro % profundidad no menor de 2 !=H
CI
!=,333 para corrugaciones no ma%ores que ?H de centro a centro % profundidad no menor de ! !2H
CI
!3,333 para corrugaciones no ma%ores que !?H de centro a centro % profundidad no menor de ! !2H % apropiado para *lues ecos mediante roblonado.
TUBOS DE FUEGO El Código "$5E en su artículo #*)1!2 establece los requerimientos para el espesor del tubo en función de su diámetro exterior obteni(ndose como resultado la máxima presión de traba-o admisible. $e debe tambi(n conocer que la fi-ación de los tubos se ace de diversas formas, siendo la forma más usada en calderas pirotubulares de presión de asta 433 #$A el emplear el expandido mecánico Fen fríoG mediante una erramienta especial que abre el extremo del tubo asta a-ustarlo contra el borde de la perforación en la placa1espe-o. +eneralmente el proceso de expandido le sigue el rebordeado del extremo del tubo para asegurar una me-or unión. Esto se practica ma%ormente en el extremo del tubo correspondiente a la cámara de combustión. "demás la tabla #*)1!2.! del Código "$5E expone las máximas presiones de traba-o en función del diámetro del tubo % su espesor. #ara nuestro caso sabiendo que nuestro caldero es de =3 6#& se recomienda utili7ar tubos asta de 2 !2 de diámetro para poder asegurar una buena transferencia de calor.
#or lo tanto seleccionando tubos de 2H de diámetro vamos a la tabla del Código "$5E #*)1!2.! % vemos que para una presión máxima de 2?3 #$A+, el tubo debe tener un espesor de 3.!3: pulg. equivalente a un número Ng de !2. #or lo tanto para calcular la cantidad de tubos de 2H de diámetro que necesitamos en nuestro caldero de =3 6# procederemos a reali7ar el detalle de la placa portatubos tomando en cuanta que /iámetro de la placa I =2 pulg. /iámetro exterior del *lue I !; pulg. /iámetro exterior de los tubos I 2 pulg. )ener presente que es un caldero de 4 pasos donde se tiene que separa dos 7onas para dicos tubos de 2 pulgadas en la parte posterior. Esta separación debe de bordear el *lue& % puede ser recta o con líneas quebradas. #ara nuestro caso seleccionaremos la de línea recta % el centro del *lue se encontrará deba-o del centro de la placa Fpuede coincidir ambos centros dependiendo del dise'oG. "demás tener presente que en el caldero existirán dos 7onas bien marcadas, la 7ona inferior o de agua % la 7ona superior o de vapor& la altura diametral de la cámara de vapor se recomienda que est( en el rango del !: a 4:O del diámetro interior del casco o diámetro de la placa portatubo. Considerando para nuestro dise'o una altura diametral de la cámara de vapor igual a ? !2 pulg. Fpues ? !2 entre =2H equivale al 23O, lo cual está entre el rango consideradoG, además el centro del *lue se encuentra > pulg. deba-o del centro de la placa FverticalmenteG tal como se indica en la figura de la distribución de tubos. #rácticamente se recomienda que la separación entre tubos debe ser de !pulg. aproximadamente. #or tal motivo se empie7a a detallar la placa portatubo indicando al *lue % la cantidad de tubos de 2H de diámetro que alcan7arían& llegando a concluir que en el lado del 2do paso Flado inferiorG alcan7aron 4; tubos de 2 pulgadas de diámetro, % en el aldo del 4er paso lado superiorG alcan7aran 2! tubos de 2 pulgadas de diámetro, dando un total de :> tubos de 2 pulgadas de diámetro.
III.A. Calculo de la Lo%-#ud de los Tu!os de 2 Pul-. de D#&ero" L Daos"
/iámetro de las placas / p I =2 pulg. <úmero de placas < p I 2 Espesor de las placas er I !2 pulg. /iámetro ext. del *lue /f I !; pulg. <úmero del *lue Espesor de los tubos et I 3.!3: pulg. #otencia de la caldera B I =3 6# $uperficie de calefección $c I 233 pie4 Longitud entre placas L p I R
Soluc#(%" Considerando que $c I < t $t M < f$ f M < p$ p /onde $t $uperficie de calefacción de un tubo. $f $uperficie de calefacción del *lue. $ p $uperficie de calefacción de una placa portatubo.
Clculo del" S $t I piF/t 1 2e GL t p $t I piF212x3.!3:GL p $t I :.;24L p pulg 2 .
Clculo del" S $ $f I piF/f 1 2e GL f p $f I piF!;12x!2GL p $f I !: piL p $f I =>.!2= L p pulg 2 .
Clculo del" S ' $ p I pi / p2 1 < t pi/t 2 1 < f pi/f 2 = = $ p I piF=2G2 1 :> piF2G2 1 piF!;G 2 = = $ p I !4?:.==; 1 !>@.3>! 1 23!.3;2 $ p I !33:.4!4 pulg 2
= =
Clculo de la Lo%-#ud e%re 'lacas 8L ' : eempla7ando en fórmula general $c I 233pie2 x !== pulg2 I :>F:.;24GL p M 2F!33:.4!4G ! pie2 2??33 I 423.:!! L p M =>.!2= L p M 23!3.;2; 2;>[email protected]>= I 4;>.;4: L p #or lo tanto L p I >2.?;@ pulg. que equivale L p I >2 >?H
Clculo de la Lo%-#ud de los u!os" 8L : )eniendo en cuenta que el caldero a dise'ar es de espalda seca Lt I L p M 2e p M 2at /onde at
"la en los extremos de los tubos con respecto a las placas portatubos, el cual se recomienda que se !? de pulg. el cual nos permitirá reali7ar posteriormente el respectivo expandado % rebordeado o calafateado Fcomo mínimo puede ser equivalente al espesor del tuboG.
eempla7ando Lt I >2 >? Lt I >> !2 pulg.
Co%clus#(%" tubos para caldera de calidad "cero al carbono 1 "$)5 !@2 de 2 pulg. de diámetro % 3.!3: pulg. de espesor con g de !2 con una longitud equivalente a >2 !2 de pulgada. I0.
TIRANTES DE REFUER;O EN PLACAS PORTATUBOS
El crirterio para la no exigenxia de refuer7os en una placa portatubos, establece que si todas las distancias radiales, en el caso de la caldera, comprendida entre las superficies interior del casco % una recta tangente a dos tubos Fo el *lue con un tuboG son menores que !.: veces el calor delapso p obtenido según el artículo #+1=;, con C I !!2& la placa no necesita tirantes. La explicación de la distancia de la tangente se explica gráficamente en la figura >.; Esto se resume de la siguiente manera $i % W !.:2 p entonces no se necesita tirantes. "plicando est( criterio en el presente dise'o reempla7amos en la ecuación anterior teniendo camo datos ) I ?, pues el espesor seleccionado del *lue es de !2 pulg. # I 2:3 #$A+ C I !!2 condición. #or lo tanto 2 !2 2 p I ) C I F?G !!2 #
!2
2:3
p I :.4:= pulg. emiti(ndose aora al dibu-o del detalle de la distribución de tubos en placa portatubos Fsección cálculo de tubosG se ve que el valor máximo de P es ? !2 pulg. más 2 pulg. igual a !3 !2 pulg. El producto !.: p tiene como resultado ?.34! pulg. Como apreciamos el valor de !.:p F?.34!G es menor que el máximo valor de P F!3 !2 pulg.G por lo que sería necesario colocar tirantes a las placas de las calderas que se está dise'ando. )eniendo como dato previo el número de tirantes a emplear de acuerdo a la disponibilidad de espacio % del paso o distancia descritas anteriormente, remiti(ndose a la figura del detalle de distribución de tubos Fsección
cálculo de tubos % al detalle general de la fig. >.?G se ve que es posible colocar tres o cuatro tirantes. $egún el código "$5E para determinar la carga total que soportarán los tirantes se multiplicará el área libre a atirantar por la presión de traba-o máximo admisible. El artículo #*)14!.2 de este código, establece que para placas planas, no rebordeadas o embridadas, el área a refor7ar esta delimitada por el borde exterior de la placa, en la parte superior % una línea que pasa 2 pulg. encima del borde superior de la primera fila de tubos. En la fig. >.? se muestra este criterio. $egún el artículo #*)14!.4.2. elárea neta a ser refor7ada se deermian por la siguiente fórmula " I = F6 1 2G2 /ic 4
1 3.;3? 612
!2
Fpulg 2 G
!2
/onde " "rea a ser refor7ada Fpulg 2 G 6 /istancia de los tubos al casco I !3 !2 pulg. /ic /iámetro interior del casco I =2 pulg. eempla7ando " I =F!3 !2 1 2G2 4
=2
1 3.;3? !2 !3 !2 1 2
" I @;.444F=.444G!2 " I 233.:4 pulg 2 /e acuerdo al artículo #*)12>.! la fuer7a total absorbida por los refuer7os F* Gt resulta del producto del área " por la presión manom(trica de trba-o máximo admisible que para nuesrto dise'o es 2:3 #$A+.
