DISEÑO DE CALDEROS PIRO TUBULARES USANDO EL PAQUETE FIRECAD
¿QUÉ ES FireCAD? FireCAD es una aplicación que trabaja con Windows y sirve para diseñar Calderos y equipos relacionados con calderos. Esta aplicación sirve para diseñar Calderos de tubos de humo con !ue"o o sin !ue"o#. Con este pro"rama se puede diseñar cald calder eros os de toda toda capa capaci cida dad d y pres presió ión. n. $rab $rabaj aja a en !orm !orma a simult%nea con el pro"rama .&E$ previamente instalado.
PROCEDIMIENTOS DE DISEÑO El Diseño de calderos usando FireCAD es muy simple y consiste de tres pasos' Diseño (nicial Auto Diseño )e Diseño •
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1. Diseño Inii!" Antes de proceder con el diseño* el in"eniero de diseño debe tener los si"uientes datos y alimentarlos al pro"rama' a. Capacidad Capacidad de "eneraci "eneración ón de +apor' ,a Capacidad Capacidad del +apor puede ser la real o la deseada* o bien la capacidad calculada para F-A// F-A// 0C. 0C. ,a capacidad capacidad de vapor a y desde //0C es un est%ndar de la industria que si"ni!ica la cantidad de vapor "enerada cuando el caldero opera a //0C y una presión de un 1ar. 2or ejemplo* el vapor "enerado a y desde //0C de un cald calder ero o que que "en "enera era 3/// 3/// 4"5h 4"5hrr a /.3 /.3 4"5 4"5cm6* cm6* es alrededor de 378/ 4"5hr.
b. 2resión del vapor' Es la presión de diseño del manómetro del caldero. Esta presión no debe ser con!undida con la presión m%9ima de trabajo* la cual es usada para calcular la resistencia de los materiales y sobre todo el espesor de la carcasa y el cañón. c. ,os calderos pirotubulares hoy en d:a pueden ser de dos tipos' de c%mara posterior h;meda wet bac<# o seca sin c%mara o dry bac<#* es decir* que los conductos entre el primer paso al se"undo paso pueden estar rodeados por a"ua c%mara h;meda# o bien sin c%mara* paso directo por medio de una mampara. ,os calderos de c%mara h;meda presentan menores p=rdidas de calor. d. Combustible' 2ara !ines de diseño se debe esco"er el combustible de la lista de los combustibles* o bien pasar los datos de los compuestos del combustible si =ste no se halla en la lista. En el caso de usar un combustible particular* =ste se puede adicionar en la base de datos incluyendo su poder calor:!ico alto. e. $:tulo' (ntroducir el t:tulo del c%lculo o proyecto del diseño del caldero puede ser la capacidad del caldero y5o el nombre del cliente#. !. Calderos de co"eneración. En caso que el caldero sea alimentado por "ases calientes* producto de calor de desecho* debemos alimentar al pro"rama con el !lujo m%sico de los "ases calientes* su temperatura de entrada y el !lujo m%sico de vapor deseado.
#. A$%o&iseño >na ve? que se hayan introducido al pro"rama los datos arriba señalados* el usuario debe hacer clic< en ' Autodesign( y proceder al diseño* es importante recalcar que Autodesi"n da el mejor y m%s e!iciente diseño de acuerdo a la e9periencia del autor del pro"rama. ,os detalles
del caldero junto con el diseño t=rmico* e!iciencia* composición del combustible* !lujo del "as* se podr%n apreciar en la !orma @ utput Design” . El usuario podr:a modi!icar editando los resultados si desea otro diseño y lue"o hacer clic en @redesign” . 2reviamente es importante leer los consejos o tips de diseño para un mejor diseño del caldero
). ReDesign ,a caracter:stica de )ediseño es una opción disponible en la !orma Output * despu=s de autodiseñar* el usuario es capa? de probar di!erentes con!i"uraciones. El usuario puede cambiar dimensiones del cañón* dimensiones de Be"undo o $ercer paso para readecuarse a las posibilidades de la e9istencia de materiales y su disponibilidad. 2or ejemplo' si usamos AutoDesi"n para un caldero de 3/// <"5hr el pro"rama nos da un horno de 6/mm y un lar"o de // mm. Estos valores dependen de la dimensión de la !lama que provea el quemador* as: que podemos cambiar estas dimensiones bas%ndonos en las medidas que o!rece el !abricante del quemador. De i"ual manera ocurre con el lar"o de los tubos* si tenemos* comercialmente* tubos de 33//mm en lu"ar de tubos de 3// mm u otra medida. 2ara ver cómo a!ectan estos cambios de medida de los tubos u otras medidas* simplemente hacemos clic< en 're&esi*n(. 2ara tener una idea m%s clara de la selección de las dimensiones adecuadas debemos re!erirnos a $ips de diseño o Desi"n $ips.
DESI+N TIPS ,RECOMENDACIONES DE DISEÑO A continuación se provee de recomendaciones y ayuda para la determinación de dimensiones de' $amaño del cañón Be"undo paso •
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$ercer paso Cuarto paso
1. T!!ño &e" !ñ/n El tamaño del cañón depende de las dimensiones de la !lama y del calor neto suministrado. E9isten di!erentes códi"os de calderos que limitan hasta 6 millones de watts* ener":a basada en el poder calor:!icos del combustible. E9isten tambi=n restricciones a la relación espesor5di%metro del cañón cuyo l:mite es 6657// mm estas restricciones son necesarias para la se"uridad de la operación del caldero. tra restricción es que un caldero pirotubular debe "enerar un m%9imo de 8/// <"5hrF-A // de"C# para mayores demandas se deben utili?ar calderos en serie. El espesor del cañón restrin"e tambi=n la presión de operación de la caldera. ,a presión m%9ima para calderas piro tubulares es de G/ bar. tra restricción es la relación ener":a5volumen cuyo l:mite es .3 HW5mG. ,as si"uientes consideraciones se deben tener en cuenta •
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El di%metro y lar"o del ho"ar o cañón no debe ser menor que el di%metro de la !lama y el lar"o de la misma. ,os combustibles "aseosos tienen temperaturas mayores de salida que los l:quidos y sólidos. ,as calderas de !ondo h;medo son m%s aconsejables para combustibles l:quidos y "aseosos. ,as calderas de !ondo seco son pre!eribles para combustibles con alto contenido de ceni?as.
#. Se*$n&o P!so ,os "ases de salida entran al se"undo paso inmediatamente despu=s del cañón. El lar"o del se"undo paso es "eneralmente el mismo lar"o del cañón. ,os di%metros e9ternos D.E.# de los tubos son normalmente en la industria
de G.3mm 6.3I#. 2ara calderos m%s pequeños* cuya capacidad es menor a */// <"5hr* el di%metro e9terior del tubo es de 3/.7mm 6I#. Be debe considerar tambi=n el tipo de combustible usado. 2ara combustibles de alto contenido de ceni?as se recomiendan di%metros mayores. Bin embar"o* el D.E. de G.3mm 6.3I# es el est%ndar. A veces se ven D.E. de hasta 8.6 mm GI#. Al"unos !abricantes usan di%metros entre /.G mm 6I# y 77. mm G.3I#. Be debe tomar en cuenta que cuanto mayor es el !lujo m%sico de los "ases* menor podr% ser la super!icie de calentamiento. Bin embar"o* tambi=n se reduce la vida ;til de los tubos y se incrementa la ca:da de presión* lo cual requiere mayor consumo de ener":a en los turbosopladores. ,a velocidad t:pica de los "ases debe ser entre y 4"5hr5m 6.
). Terer P!so ,o que se dijo sobre el se"undo paso tambi=n se aplica en este tercer paso. ,a velocidad de la masa de los "ases en el tercer paso puede ser un /J mayor que en el se"undo paso* ya que* debido a la p=rdida de temperatura el volumen del "as es menor. El lar"o* en un tercer paso* se obtiene añadiendo el lar"o del se"undo paso* el lar"o de la c%mara del !ondo y el espacio de a"ua.
0. C$!r%o P!so El pro"rama FireCAD diseña autom%ticamente calderos de tres pasos. Bi se quiere diseñar un caldero de cuatro pasos* se debe doblar el lar"o del tercer paso. Bi se diseña un caldero de dos pasos* se debe tomar el se"undo paso como si valiera /. mm.
A continuación daremos una breve descripción de cada campo que aparece en las !ormas de entrada y salida del diseño.
INPUT DESI+N FORM ,FORMATO DE DISEÑO DE ENTRADA- 1. Units (Unidades): Beleccione las unidades en las cuales quiere hacer el c%lculo del diseño. #. Steam Capacity (Capacidad de Vapor): Esta es la cantidad de vapor que queremos que "enere la caldera. 2or ejemplo* 6*/// 4"5hr. ). Steam Pressure (Presión de Vapor): Esta es la presión de trabajo de la caldera. Ejemplo' /.34"5cm 6. 0. Fuel (Combustible): En este campo se selecciona el combustible apropiado. 2. (ype) ipo: Beleccionamos F-A//0C si la "eneración del vapor se contabili?a desde y a //0C. ,a "eneración de vapor real es /.73 dos veces la de F-A//0C si la presión es de /.34"5cm 6. 3. !ac" #nd (Fondo): En este campo se selecciona el tipo de !ondo que se tiene' h;medo o seco. 4. $ater %nlet emp& (emperatura de #ntrada del Agua): En este campo ponemos las temperaturas de a"ua de entrada a la caldera ejemplo' G/0C. 5. Delete Fuel (!orrar Datos de Combustible): En este campo se selecciona el combustible que se desea borrar* lue"o se hace clic< en @De"e%e F$e"I para con!irmar. 6. 'ross Caloriic Value (Poder Calorico Alto * PCA): Esco"er siempre el valor de la base de datos* el cual es m%s e9acto. $ambi=n se puede seleccionar el valor calculado C!"$"!%e&#* el cual es ra?onablemente e9acto para combustibles sólidos y "aseosos. 2ara
combustibles l:quidos se debe usar la base de datos o se puede alimentar con sus propios datos. itle (tulo): En este campo se coloca el nombre o 17. t:tulo del proyecto. ,a composición del combustible y otros campos 11. pueden ser cambiados si se tienen valores di!erentes. Be debe recordar que si se cambia la composición del combustible* tambi=n se debe cambiar el 2CA. Bi no se tiene se"uridad del 2CA* se debe colocar / cero#* de tal manera que FireCAD har% los c%lculos. Be recuerda que cada ve? que se introduce un 1#. nuevo combustible en la base de datos ADDF>E,#* puede ser utili?ado posteriormente cuando se requiera. Esto elimina posibles errores. ,os anteriores puntos tambi=n se aplican al diseño 1). de calderas que se alimentan con calor de desechos quemados.
OUTPUT DESI+N FORM ,FORMATO DE RESULTADOS DEL DISEÑO- . ,a salida de vapor* detalles del cañón* detalles del Be"undo 2aso y detalles del $ercer 2aso se e9plican por s: solos. 6. E!iciencia de KC+' Es la e!iciencia de combustión basada en el poder calor:!ico alto. Esta es levemente m%s baja que la E!iciencia de Luemado. ,a E!iciencia de Luemado no se reporta en pantalla. G. E!iciencia &C+' Esta es la e!iciencia sobre la base de &C+ ,C+ o 2oder Calor:!ico 1ajo# . Ca:da de 2resión $otal' Esta es la ca:da de presión que el sistema tiene en unidades de Columna de A"ua. Esta
ca:da de presión no incluye las p=rdidas en* ductos y chimeneas. 3. Car"a de Calor' Este es el calor total "enerado por el vapor "enerado. 2or ejemplo* si el caldero "enera /// <"5hr de vapor* =ste "enerar% /.3e 4cal5hr de calor. . Calor 1ruto (nducido' Este es el calor inducido al cañón u horno a partir del combustible quemado y se basa en el 2CA. 8. 2oder Calor:!ico &eto' Este es el calor neto inducido en el cañón* basado en el poder calor:!ico neto del combustible. 7. ,as temperatura de salida del Cañón* Be"undo 2aso y $ercer 2aso se e9plican por s: mismas. . Mrea de Buper!icie de Calentamiento' Esta es la super!icie de calentamiento del caldero calculada en base a di%metros e9teriores. Como =ste es apro9imado* el usuario debe recalcular la super!icie real con respecto a los planos. /. ,as p=rdidas de e!iciencia se e9plican por s: solas. . Flujo H%sico de Kas' Esto indica el !lujo m%sico total de "ases de salida producidos debido a la combustión. 6. Flujo +olum=trico del Kas de Emisión &ormali?ado' Esto representa el !lujo volum=trico considerando /0C* atm en unidades H4B5Bt* y /0F para F2B !eet per second#. G. Composición de Kas por +olumen y por 2eso en condiciones h;medas* considerando la masa del a"ua. ,os si"uientes ejemplos nos ayudar%n a comprender mejor el manejo de FireCAD. ENEH2,
. Diseñar un caldero de paquete piro tubular* de !ondo h;medo* que trabaja con Fuel il de tres pasos y que "enera 3/// <"5hr F-A //0C# y /.3 <"5cm 6. >sar tubos de 37// mm de lar"o en el $ercer 2aso* no e9isten otros datos. B,>C(O& •
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ClicnitI seleccionar H4B* en @Bteam CapacityI colocar 3/// en @Bteam 2ressureI /.3 en @$ypeI F-A //0C en @1ac< EndI colocar WE$1AC4 en Water (n $emp.* poner G/. Esco"eremos el Fuel il &0 de amplio uso#. 2oner o alimentar en @)adiation ,ossI 2=rdidas por )adiación#* @>n1urntI y @>nAccountedI p=rdidas por mal quemado y otras p=rdidas# las p=rdidas que representan* si es que se cuenta con los respectivos datos. De otra manera* dejar que la m%quina lo ha"a. En el campo de @Kross Cal +alue PP+#* poner el poder calor:!ico alto del combustible* sea =ste calculado o por la base de datos database#. 2oner el t:tulo del proyecto en @$itleI. E!ectuados los puntos anteriores* hacer clic en @A>$DEB(K&I. El pro"rama e!ectuar% todos los c%lculos autom%ticamente y nos mostrar% en la pantalla el !ormato @utput Desi"n FormI. Bi deseamos
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cambiar al"o* podemos hacerlo en las casillas correspondientes y lue"o presionamos @)edesi"nI En nuestro ejemplo* debemos usar los tubos del $ercer 2aso con un lar"o de 37//mm. Cambiamos este dato en la !orma @utput Desi"n FormI y podemos apreciar que autom%ticamente var:an las condiciones de rediseño. Kuardar el proyecto en @FileI.
E8EMPLO # Diseñar un caldero de paquetes de tubo de humo de $res 2asos que "enere 6/// <"5hr de vapor F-A //0C# y 7<"5cm6. ,a e!iciencia m:nima en base al poder calor:!ico alto debe ser del 76J. El e9ceso de aire no debe e9ceder el 3J. ,a temperatura del a"ua de alimentación del caldero debe ser de 630C. B,>C(O& •
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ClicnitI seleccionar H4B* en @Bteam CapacityI colocar 6/// en @Bteam 2ressureI 7./ en @$ypeI F-A //0C en @1ac< EndI colocar WE$1AC4 en Water (n $emp.* poner 63 En @E9 AirI E9ceso de Aire# poner 3.. Como no tenemos la composición del "as natural* podemos seleccionar en @FuelI* &atural Kas 6.
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2oner o alimentar en @)adiation ,ossI 2=rdidas por )adiación#* @>n1urntI y @>nAccountedI p=rdidas por mal quemado y otras p=rdidas# las p=rdidas que representan* si es que se cuenta con los respectivos datos. De otra manera* dejar que la m%quina lo ha"a. En el campo de @Kross Cal +alue PP+#* poner el poder calor:!ico alto del combustible* sea =ste calculado o por la base de datos database#* que es 678/ 4cal54". 2oner el t:tulo del proyecto en @$itleI* Caldero a Kas &atural. E!ectuados los puntos anteriores* hacer clic en @A>$DEB(K&I. El pro"rama e!ectuar% todos los c%lculos autom%ticamente y nos mostrar% en la pantalla el !ormato @utput Desi"n FormI. Bi deseamos cambiar al"o* podemos hacerlo en las casillas correspondientes y lue"o presionamos @)edesi"nI. 2ara obtener la e!iciencia m:nimas requerida del 76J* podemos e!ectuar variaciones en la "eometr:a del cañón* de los tubos* aumentar o disminuir el n;mero de tubos* hasta lle"ar a la e!iciencia requerida. Kuardar el proyecto en @FileI.
CONSE8OS PARA UN BUEN DISEÑO . Diseño &e Tres P!sos. Be recomienda diseñar calderos de $res 2asos que permitan altas velocidades* ca:da de presión leve de los "ases* resultando en una alta e!iciencia y reduciendo la car"a del motor del turbosoplador. 6. Q$e!&or. ,a capacidad de los quemadores debe ser especi!icada por lo menos en un /J de e9ceso del calor requerido por la caldera. El lar"o y el di%metro de la !lama del quemador deben coincidir con el di%metro y lar"o del diseño del cañón u ho"ar de la caldera. G. Re"!i/n en%re 9o"$en &e" !ñ/n : e" !"or *ener!&o. ,os cañones con "ran volumen permiten mayor !lujo de calor aumentando la vida ;til del caldero y menor "eneración de &9. . Di;e%ro &e" C!ñ/n. ,os vol;menes "randes di%metros "randes# del cañón aumentan el tiempo y crean mayor turbulencia para una combustión completa. Adem%s permiten una mayor absorción de calor radiante. 3. Di;e%ros &e C!r!or. Cuanto mayor es el volumen para la evaporación del a"ua* m%s seca es la calidad del vapor* reduce la turbulencia del a"ua y el espumamiento. Asimismo* o!rece menos !luctuaciones cuando hay cambios de presión. 7. Ais"!ien%o Trio. El material aislante* como !ibra mineral o !ibra de vidrio* debe ser de al menos 6I* con una densidad de 7 lbs. . Diseño &e Co>$er%!s. ,as compuertas* ya sea anterior o posterior o ambas* deben permitir un acceso total a los tubos de humo para su mantenimiento.
