1
DISEO DE CALDERAS INDUSTRIALES PIROTUBULARES
O TUBOS DE FUEGO
PRIVADO
I. CALDERAS
1.1 DEFINICIN DE CALDERAS
Las Calderas son equipos a presin de vapor de agua, mediante un
sistema de combustin.
Este vapor se aplica bsicamente para transferir energa a algn
medio, a fin de usarlo directamente o indirectamente en procesos
industriales.
1.2. TIPOS DE CALDERAS
Existen 2 tipos:
1.2.1. Calderas Acuotubulares
1.2.2. Calderas Pirotubulares.
1.2.1. Calderas Acuotubulares:
Son aquellas donde el agua fluye por el interior de sus tubos y
los gases de combustin fluyen externamente a los tubos, generndose
la transmisin de calor desde la parte exterior a la parte interior
de los tubos.
Se les conoce Calderas de tubos de Agua; por lo general son de
Alta Potencia y para Alta Presin.
Para Potencia pequea no es recomendable econmicamente.
1.2.2. Calderas Pirotubulares:
Son aquellos donde los gases de combustin fluye por el interior
de los tubos y el agua circula externamente a los tubos, generndose
la transmisin de calor desde la parte interna a la externa de los
tubos.
A estas Calderas tambin se les conoce como Tubos de Fuego.
Por lo general son para mediana potencia.
1.2.2.1. CLASIFICACIN DE LAS CALDERAS PIROTUBULARES
Para poder clasificar a estas Calderas es importante entender
algunas definiciones.
1.2.2.1.1. Definiciones Importantes:
A. Pasos:
recorrido de los Gases de combustin, desde la parte delantera a
la posterior y/o viceversa, y a abajo hacia arriba o viceversa;
durante el cual transfiere calor al agua.
B. Presin de Trabajo:
Presin a la cual trabajar la Caldera.
Esta presin puede ser igual o menor a la presin de Diseo.
1.2.2.1.2. Formas de Clasificacin:
a. De acuerdo al nmero de pasos:
Puede ser:
a.1 Un paso - con deflectores
a.2 Dos pasos - con deflectores
a.3 Tres pasos - ptima eficiencia en transferencia
a.4 Cuatro pasos.
b. De acuerdo a la Configuracin de la parte Posterior o Cmara de
Retorno de Gases:
b.1 Baja presin - de 0 a 30
b.2 Mediana presin - de 30 a 300
b.3 Alta presin - ms de 300
c. De acuerdo a la Configuracin de la parte Posterior o Cmara de
Retorno de Gases
c.1 De espalda Seca: Donde se emplea refractario para rodear
paredes de dicha cmara.
c.2 De espalda Hmeda: Donde se emplea una pared de agua para
rodear las paredes de dicha cmara.
d. De acuerdo a la Posicin de los Tubos:
Puede ser:
d.1 Horizontales.
d.2 Verticales.
e. De acuerdo al Combustible Utilizado:
Puede ser:
e.1 Slido - lea, carbn, etc.
e.2 Lquido - Diesel 2, Bker 5 y 6, etc.
e.3 Gaseoso - Gas Propano, Gas Natural, etc.
e.4 Dual - Gas y Petrleo.
f. De acuerdo al Tipo de Operacin:
Puede ser:
f.1 Manual
f.2 Semiautomtico.
f.3 Automtico.
1.3.USOS
Los Calderos tiene uso mltiple:
1.3.1.USOS DE LAS CALDERAS PIROTUBULARES:PRIVADO 01Hospitales y
Clnicas
02Baos Saunas
03Universidades, Colegios grandes, y Clubes y Hoteles
04Lavandera
05Tintoreras
06Fbricas de Fideos
07Fbricas de galletas - Golosinas
08Fbricas de Helados
09Conservas de Pescado
10Camales
11Industria Avcola
12Fbricas de Pintura
13Bases Militares
14Fbricas de Gaseosas - Aguas Minerales
15Fbricas de Cerveza
16Industrias Qumicas
17Fbricas de Alimentos Balanceados
18Fbricas de Aceites y Grasa
19Refineras
20Minera
21Industrias Automotrices
22Industrias de Caucho y Jebe
23Laboratorio Farmacutico
24Industrias Textiles
25Industrias Madereras26Fbricas de Equipos de Lnea Blanca
27Fbricas de Ladrillos
28Fbricas de Cemento
29Embarcaciones - Cruceros
30Industrias del Botn
31Hilandera
32Laneras
33Fbrica de Papel
34Fbrica de Envases Industriales
35Fbrica de Embutidos
36Fbrica de Redes
37Fbrica de Levadura
38Fbrica de Llantas
39Fbrica de Cigarrillos
40Fbrica Procesadores de Maz
41Adhesivos Industriales
42Industrias del Calzado
43Industrias de la Naranja
44Industrias de Pulpa de Frutas
45Industrias de Aceite de Limn
46Industria del Candado
47Industria de Tomate
48Industria de Algarrobos
49Industria de la Leche
50Industria Fotogrfica
Otros.
1.3.2. APLICACIONES DEL VAPOR
1.3.2.1. Condensacin:
Se puede aplicar el vapor aprovechado principalmente el calor
que cede al condensador de vapor a lquido, en las siguientes
formas:
Calentamiento indirecto:
El vapor no entra en contacto con el material a procesar, ms
bien lo realiza a travs de serpentines, indirectas de calor y
chaquetas de vapor (marmitas, tanques de combustible residual,
etc).
A. Calentamiento Directo
Por medio de Aplicaciones del vapor directamente sobre el
material a procesar (cocinador de pescado,etc)
B. Calentamiento de Aire:
Por medio de radiadores (intercambiar de calor), se calienta
aire para sistemas de calefaccin de ambientes o para secado de
productos.
1.3.2.2. APROVECHAMIENTO DE LA ENERGA CINTICA DEL VAPOR
Se puede aplicar el vapor aprovechando su energa cintica, creado
al producirse una expansin del vapor a una presin mayor en las
formas.
A. Fuerza motriz en Mquinas:
Aprovechando la energa del vapor se puede mover Turbinas y
Bombas Alternativas.
B. Creacin de Vaco:
La expansin del vapor crea vaco por medio de un inyector, como
por ejemplo el usado para inyectar agua a la caldera.
1.4.PARMETROS INDUSTRIALES PARA LA SELECCIN DE CALDERAS
PIROTUBULARES
1.4.1. DEFINICIONES PRELIMINARES
Es importante hacer definiciones y explicar conceptos empleados
en el campo de la Caldera, los cuales servirn para interpretar las
literaturas o informaciones escritas sobre el tema.
A. CARGA TRMICA: (Q)
Es la cantidad de calor aprovechando por el agua hasta lograr se
evaporacin y sobrecalentamiento, si es que la tiene.
Para poder elevado con rigurosidad se emplea el diagrama "T - S"
y/o Temperatura Entropa, teniendo en cuenta la condicin inicial y
final del agua.
La forma ms prctica de evaluar la carga trmica de la caldera es
mediante la diferencia de entalpa entre el estado final e inicial
del agua expresado como.
Q = *hxm (BTU/ Hr, KW)
donde:
m = Flujo de agua y produccin de vapor en (KJ/seg)
*h= Diferencia de entalpas especifican vapor - agua.
Se puede simplificar este clculo y obtener resultados
aproximados mediante una tabla de vapor saturado y considerando la
diferencia de entalpa como la suma de la entalpa de calentamiento
del agua hasta la temperatura de saturacin y el calor latente de
evaporacin a la presin de trabajo as.
Donde entalpa de calentamiento: Hcal
hcal = Cp* = 4.186(TS - TQ) Kj/Kg
donde:
Cp: Calor especfico del agua = 4.186 Kj/Kg
Ts: Temperatura de Saturacin.
To: Temperatura Inicial
hig: Entalpa de evaporacin a presin Ps (Kj/Kg)
Ps: Es la presin de Trabajo o de Saturacin.
Por lo tanto:
*h = hcal + hig (Kj/Kg)
Ejemplo:
Si una Caldera est produciendo 2 000 Kg/Hr de vapor saturado a
12 bar de presin absoluto (159 PSIG) empleando agua a 25(C, la
carga trmica ser calculada as:
m: 2000 Kg/Hr = 0.555 Kg/seg
(dato)
Ps: 12 bar = 159 PSIG o Presin Manomtrica (dato)
Ts: 188(C
(de Tablas)
To: 25(C
(dato)
hcal: 4.186(188- 25) = 682.23 Kj/Kg
hig: 1986.7 Kj/Kg
(de Tablas)
*h = 682.32 + 1986.7 = 2669.02 Kj/Kg
Q = mx*h = 0.555x2669.02
Q = 1481.31 Kw
Este mismo clculo hecho solamente de tablas vapor que incluyen
al lquido sub enfriado resaltando Q = 1,468.18 Kw es decir 0.32% de
error.
B. VAPOR NORMAL (Vn)
Es la masa de vapor que se obtiene, con una cierta cantidad de
calor, vaporizada de 100(C a 100(C, es decir partiendo como lquido
saturado hasta llegar a vapor saturado a nivel del mar (temperatura
de saturacin de 100(C), El calor requerido, o calor latente, por
cada Kg de agua es de 2257 Kj/kg.
Ejemplo:
Siguiendo el ejemplo anterior, el vapor normal ser:
Vn = Q = 1481.31
225 2257
Vn = 0.656 Kg/seg
Esto equivale a 2362.74 Kg/Hr que es mayor a los 2000 Kg/Hr
producidos realmente
C. FACTOR DE EVAPORACIN
Se define como:
f = Entalpina de 1 Kg de vapor generado
Entalpa de 1 Kg de vapor normal
Por los tanto se deduce que:
Vn = fxm
En el ejemplo anterior:
f = Vn = 2669.02
m 2257
f = 1.18255
Vn = 1.18225(2000)
Vn = 2365.10 Kg/Hr
D. CAPACIDAD DE VAPORIZACIN DE UNA CALDERA
Es la capacidad de un generador de vapor en Kg/Hr (lb.Hr)
indicando la presin de Trabajo y la Temperatura de ingreso del
agua. Pero como las calderas trabajan a presiones diferentes unas
con otras, as como temperaturas de ingreso de agua, surge como una
fortuna de expresar la potencia del equipo en Hp de Caldero.
E. HP DE CALDERO - BHP
La definicin ms aceptada para este concepto la dio la ASME
(AMERICAN SOCIETY OF MECHANICAL ENGINEERI) de la siguiente
manera:
Es la cantidad de calor necesaria que hay que suministrar para
evaporar 34.5 libras de agua por hora desde 212 (F a 212(F.
En trminos numricos esto equivale a:
1 BHP = 34 475 BTU/Hr
1 BHP = 9.81 KW
De esto se puede concluir que el HP DE CALDERA es una unidad de
calor, por lo que puede ser de diferentes BHP, dependiendo de la
presin y de la Temperatura del agua de ingreso.
Ejemplo:
El BHP de la caldera del ejemplo es de:
BHP = carga Trmica (Kw)
9.81(Kw/BHP)
BHP = 1481.31
9.81
BHP = 151
Tambin se emplea el BHP de caldero para dirigirse el tamao de
una caldera en base a la superficie de calefaccin. Para ello, la
ASME teniendo en cuenta que las calderas en esa poca utilizaban la
superficie de 5 pie2 para generar 34.5 lbs de vapor por hora.
F. EFICIENCIA TRMICA DE UNA CALDERA
Es el porcentaje total suministrado por el combustible que es
cedido al agua, esto es:
Eficiencia = Calor cedido al Agua = Q x100(%)
Energa del combustible HRP
Pero tambin, podemos expresar el calor cedido al agua como:
Q = Energa del Combustible - Prdidas por chimeneas - Prdidas por
aislamiento
Por lo tanto:
Eficiencia = HRP - Pc - Pa = 1 - Pc + Pa x100(%)
HRP
HRP
HRP: Calor cedido por el combustible.
Pc: Prdida por la chimenea.
Pa: Prdida por el aislamiento.
La eficiencia est influencia por:
-Superficies de calefaccin sucias: incrustaciones u holln
-Quemador con funcionamiento defectuoso: mala turbulencia en los
deflectores y difusores de aire, tobera o capa rotativa defectuosa
o mala atomizacin del combustible.
-Regularizacin de la combustin con aire excesivo, denotado por
un nivel alto de oxgeno entre los productos de combustin.
-Mal aislamiento trmico de la caldera o fugas de calor por
empaquetadura.
G. SUPERFICIE DE CALEFACCIN
Segn reglamento alemn, es el rea de la superficie medida del
lado del fuego de las paredes expuestas, por un lado , o los gases
que sirvan para la calefaccin y por el otro, con el contacto con el
agua.
Segn ASME la superficie de calefaccin de la unidad generadora de
vapor, es aquella parte de la superficie de transmisin de calor del
aparato, expuesto por un lado al gas y por el otro el liquido que
es calentado, medida del lado que recibe el calor.
El valor empleado para la superficie de calefaccin por cada BHP,
actualmente flucta entre 23,5 pie2 por BHP para Calderas Verticales
y de 5 pie2 por BHP para Calderos Horizontales. El optar por
considerar 5 pie2 por BHP en Calderas Horizontales, nos permite
lograr una larga vida en proporcin o la capacidad a travs de esta
superficie se realiza la transferencia de calor cuyas formas
son:
G.1 Transferencia de calor por Radiacin:
Esta forma de transferencia de calor es de gran importancia en
este tipo de Maquinas Trmicas debido a las altas temperaturas en
los hogares o cmaras de combustin. Esto trae con sigo que ms del
60% del calor se produce mayormente en la cmara de combustin.
G.2 Transferencia del calor por Combustin :
Se produce los principales procesos de ganancia o disposicin de
calor, en el que intervienen un fluido. La conduccin se refiere al
calor que atraviesa una red slida 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
Calefaccin de la Caldera.
G.3 Transferencia de calor por Conveccin
Se entiende por conveccin al proceso de transferencia de energa
que tiene lugar principalmente en los fluidos como consecuencia de
este contacto con un slido o diferentes temperaturas, por lo que
unas partes de las masas de este fluido se mezcla con otras a
diferentes temperaturas; ocurriendo un fenmeno de conduccin entre
molculas adyacentes, pero la energa puede transmitirse a otros
puntos del espacio por movimiento del fluido.
Cuando el movimiento del fluido se debe a la existencia de
fuerza externas en la forma de diferencia de presin, este mecanismo
se conoce con el nombre de CONVECCION FORZADA.
Cuando no se aplica ninguna fuerza externa al fluido; este se
mueve como consecuencias de las diferencias de densidades de la
partes de un fluido a temperaturas diferentes por estar juntos a la
superficie del slido; a este fenmeno se le conoce como CONVECCION
LIBRE.
Para poder evaluar la energa que se intercambia entre un fluido
y un slido, ambos a temperaturas medias, es necesario conocer un
factor llamado coeficiente de pelcula en cuyo clculo estn basadas
las teoras concernientes a la conveccin.
La Conveccin aporta una mayor energa en los pasos de los gases
por el interior del los tubos, que en la cmara de combustin.
1.4.2. SELECCIN DE UNA CALDERA
1.4.2.1. Factores ms Importantes:
A.Requerimientos de Vapor
Capacidad
Presin
Calidad del Vapor
B.Combustible
C.Corriente Elctrica
Considerando que en un Hotel:
Cocina
: 200 lbs de vapor/Hora
Lavandera : 406 lbs de vapor/Hora
60 Dormitorios: ?
Segn ASME desde 20 a 60 dormitorios, el consumo mximo de agua
caliente por dormitorios es de 5 galones/Hora.
Entonces 60 Dormitorios consumirn 500 Galones/Hora. Como se
recomienda que el agua en el tanque se calienta en 30 en 30 minutos
entonces la capacidad del tanque calentador debe ser de 150
galones. Adems si la densidad del agua es aproximadamente 8.33 lbs
galn a 60(F.
Calcularemos el flujo de masa a calentarse: m
m = Vxp
donde:
m = Flujo de masa de agua a calentar.
V = flujo de volumen
p = densidad del agua.
m = 300 Galones x 8.33 lbs
Hr
galn
m = 2499 libras/HoraDe agua a Calentar
Este flujo de agua caliente ser proporcionado por un calentador
de agua a vapor.
Considerando como frmula general de transferencia de calor:
Q = mxCp(T2 -1)
donde:
Q = flujo de calor BUT/Hr
m = flujo de masa lbs/Hr
Cp = Calor especfico del agua 1BTU/lb(F
T2 = Temperatura mxima a calentar el agua 60(C =140(F
T1 = Temperatura inicial a ambiente 15(C = 60(F
Reemplazando:
Q = 2499x1x(140-60)
Q = 199920 BTU/hr
Considerando una eficiencia del 80% en el calentador de
agua:
Qr = Q = 199920
n 0.8
Obtenemos:
Qr = 249900 BTU/Hr
Sabemos que: 1BHP ( 33500 BTU/Hr
Qr = 7.46 BHP
Lo cual ser proporcionado por 257.27 libras de vapor por hora,
pues sabemos que:
1 BHP; producir 34.5 lbs. de vapor por Hora.
Por lo tanto la capacidad de la caldera ser:
Por:
Cocina = 300 libras de vapor/Hr = 8.69 BHP
Lavandera = 406 libras de vapor/Hr = 11.76 BHP
60 Dormitorios= 257.37 libras de vapor/Hr = 7.46 BHP
Por lo tanto la Caldera para Abastecer: Cocina, Lavandera y los
60 Dormitorios deben ser de:
Caldera = 27.91 BHP
Considerando una eficiencia en la caldera del 80%
La caldera deber ser de 32.84
Por lo tanto Seleccionaremos:
Una Caldera de:
Potencia
: 30BHP
Tipo
: Pirotubular
Pasos
: Tres
PRESIN DE TRABAJO:
Presin de Diseo: 250 PSIG
Configuracin parte posterior: Espalda seca
Posicin de los Tubos : Horizontales
Operacin
: Automtico.
Tipo de corriente: Alterna 220V y 60Hz
Combustible Utilizado : Diesel N 2
Produccin de vapor: 1380 lbs de Vapor por Hora
Saturado
: Desde y Hasta 155(C a nivel del mar
1.4.3. ESTRUCTURA INTERNA Y EXTERNA
1.4.3.1. Partes Importantes de una Caldera Pirotubular:
Para entender mucho mejor definiremos sus partes ms
importantes:
A. El Hogar o Cmara de Combustin:
En el cual se desarrolla la llama. Esto puede ser integrado a la
caldera.
El Flue o Cmara en un elemento de gran importancia en las
calderas Pirotubulares, pues aqu se transfiere la mayor parte de
calor hacia el agua.
Respecto a la configuracin del Flue Horizontal segn el cdigo
ASME PFT - 15, esto puede ser de 3 tipos:
a.1 Cilindro Liso:
Conformado por las planchas roladas y soldadas en sus extremos a
las placas portatubos. Su superficie exterior es lisa.
a.2 Tipo Adamson:
Conformado por tres tramos cilndrico, pero unidos entre s en
forma de bridas soldadas.
a.2.1 Cilndrico reforzado con anillos:
Es un Cilindro liso pero con anillo soldados a lo largo de la
superficie exterior del Flue.
a.3 Cilndrico corrugado:
La Superficie del Flue es ondulada.
El empleo de algunos de estos de Flue esta suspendido a la
capacidad de liberacin de calor (superficie) y a la presin de
trabajo.
El tipo de Flue que se adopta menor a estos requerimientos es el
del tipo corrugado, siendo la tendencia industrial actual de
emplear este Flue en calderas, por su mayor superficie calefactora
de mayor presin, debido a que las ondulaciones sirven de refuerzo,
permitiendo al Flue ser de mayor dimetro y debido a que las
ondulaciones absorben esfuerzos de dilatacin.
El Flue del tipo corrugado tiene el inconveniente respecto al
Flue liso de tener un proceso de fabricacin ms complicada y
costoso.
1.4.3.2. CDIGO ASME
Llamado tambin como el cdigo de la ASME; significa American
Society of Mechanical Engineers (Sociedad Americana de Ingenieros
Mecnicos).
Es una sociedad subsidiada por el Gobierno Norteamericano donde
se realizan una serie de ensayos o pruebas con todo lo relacionado
a la Ingeniera Mecnica y obtenindose como resultado conclusiones
importantisimos la para la Ingeniera Mecnica.
ASME ha emitido el documento ASME BOILER AND PRESSURE VESSEL
CODE que consta de 9 secciones muy importantes las cuales son:
Seccin I - Calderas de Potencia
Seccin II - Especificaciones de materiales.
Seccin III - Calderas Nucleares
Seccin IV - Calderas de Calentamiento
Seccin V al VIII - Recipientes a Presin
Seccin IX - Calificacin de Soldaduras.
1.4.4.PARMETROS INDUSTRIALES PARA LA CONSTRUCCIN DE CALDERAS
PIROTUBULRES:
PARTE MECNICA I
1.4.4.1. Datos
Potencia
= 40 BHP
Operacin
= automtica
Posicin de los tubos = Horizontal
Pasos
= 3
Presin de diseo= 250 PSIG+(
Configuracin
= Cmara seca
Combustible a utilizar= Diesel N 2
Produccin de vapor= 1380 lbs de vapor desde y hasta 100(C al
nivel del mar.
Superficie de calefaccin = 200 pie3 segn ASME
1.4.4.2. MATERIALES EMPLEADOS EN LA FABRICACIN DE CALDERAS
PIROTUBULARES
La ASME en sus acpites PG5 al PG9, determina los materiales a
usar segn la aplicacin del Caldera o la parte de ella a fabricar.
as se puede mencionar a los siguientes:
B. LA CALDERA PROPIAMENTE DICHA
Compuesta de un cuerpo cilndrico de chapa de acero con dos tapas
planas, denominados placa-espejo. Dicho cilindro contiene un
determinado volumen de agua y vapor llamado Cmara de Agua y Vapor,
que recibe calor que le cedan los productos de la combustin a travs
de las placas, tubos y cmaras de combustin.
El agua que se vaporiza ocupa la parte superior del cuerpo
cilndrico de la caldera. La interfase entre el estado lquido y de
vapor del agua se denomina: SUPERFICIE DE DESENGANCHE ( Disengaging
Surface).
La altura a la que se ubica esta superficie de desenganche
constituye el nivel de agua de la Caldera, el agua nunca debe dejar
al descubierto las partes que se encuentran en contacto con la
llama o con los gases calientes por el peligro que ello extraa, el
recalentamiento de la chapas con posibilidades de rotura y su
consiguiente explosin.
El nivel de agua tambin determina la cmara de vapor, el cual
constituye el volumen de almacenamiento de vapor en la Caldera y
depende del diseo del equipo. Un volumen alto significa l poder
responder a las fluctuaciones de demanda de vapor, que con una
cmara menor. As tambin el tener una cmara de vapor pequea produce
arrastre de lquido hacia la lnea de salida de vapor.
C. EL CONDUCTO DE HUMOS O TUBOS DE FUEGO
Por donde los productos de la combustin salen del ltimo paso de
tubos para pasar a la chimenea. Dichos productos se mueven
impulsados por el tiro que crea la chimenea o por medio de
ventiladores (tiro forzado).
D. QUEMADOR
El cual produce la combustin que libera la energa
correspondiente.
E. CONTROLES DE OPERACIN Y SEGURIDAD, TANTO PARA LA COMBUSTIN
COMO PARA EL VAPOR
1.4.4.3. PROCESO DE FABRICACIN DE LA CALDERA PIROTUBULAR
Como se mencion anteriormente, la seleccin de estos elementos se
har empleando el cdigo "ASME BOILER AND PRESSURE VESSEL CODE
SECTION I POWER BOILERS". El diseo de estos elementos consistir
principalmente en la determinacin de sus espesores, obtenidos en
base a frmulas experimentales planteadas por la ASME, los que estn
en funcin de la mxima presin de trabajo admisible.
Las Calderas Pirotubulares por tratarse de un recipiente a
presin, sometido a presin y temperatura, debe tenerse especial
cuidado en elegir el material y proceso adecuado. Adems se
recomienda considerar el diseo cilndrico pues asegura la eliminacin
de acumulaciones de sedimentos y puntos calientes.
I.LAS PLACAS PORTATUBOS - ESPEJOS
Estos elementos por ser de tipo plano, son los que ms resisten
los esfuerzos de la caldera, siendo tambin las que ms se deforman
luego de cierto perodo de trabajo.
Estos elementos se unen con todas las otras partes del
recipiente a presin: casco, cmaras de combustin y tubos.
Las placas se conforman partiendo de plancha planas, cortadas en
forma circular externa e internamente, mediante oxiocorte con su
respectivo bisel de soldaduras para su posterior unin con el casco
y cmara de combustin.
Luego de cortar y biseladas en ellas se traza las posiciones de
las perforaciones, donde se alojarn los extremos de los tubos, para
su posterior taladrado.
La operacin de taladrado de placas se realiza en un taladro
radial, colocando una placa encima de al otra para que las
perforaciones en ambas placas sean coincidentes.
El dimetro de las perforaciones deber sr adecuado a los tubos a
emplear, con la tolerancia y redondez adecuada.
Esta caracterstica se logra con el proceso final de limado,
debiendo quedar la medida final de la perforacin en valor diametral
mayor que el dimetro exterior del tubo entre el 20% y 60% del
espesor del tubo.
Segn Cdigo ASME recomienda los siguientes dimetros de Caldera de
acuerdo a la potencia de la misma.
A. Para Cmara de Fuego, Casco y Placa
Material
Denominacin
S.A. 202(Plancha de acero al cromo-manganeso-silicio, para
calderas y recipientes a presin.
S.A. 203(Planchas de acero de al nquel para calderas y
recipientes a presin.
S.A. 285(Planchas de acero al carbono, de bajo o intermedia
resistencia para caja de furgo y para bridas.
S.A. 299(Planchas de Acero al carbono-magnesio-Silicio, de alta
resistencia para Calderas y recipientes a presin.
S.A. 515(Planchas de Acero al carbono, de resistencia
intermedia, para calderas soldadas a fusin u otros recipientes o
presin de media o alta temperatura.
A. Para Tubos de Fuego y Tuberas de la Caldera:
Material
Denominacin
S.A. 53(Tuberas de acero con o sin costura, para conduccin.
S.A. 105( Acero forjado para fabricacin de bridas y
conexiones.
S.A. 106(Tuberas de acero al carbono sin costura para servicios
de alta temperatura.
S.A. 178(Tubos de acero al carbono electrosoldado para Caldera.
Es el mismo que el ASTM 178.
S.A. 192(Tubos de acero para caldera sin costura para servicio
de alta presin igual al ASTM 192.
S.A. 209(Tubos de acero al carbono-molibdeno, para Calderas y
Sobrecalentadores.
S.A. 226(Tubos de acero al carbono electrosoldados, para
calderas y Sobrecalentadores de alta presin.
Potencia
Dimetro
(BHP)
(Pulgadas)
De 20 a 60-
42
De 60 a 100-
48
De 100 a 150-
60
De 150 a 225-
64
De 225 a 350-
76
De 350 a 400-
82
De 400 a 600-
88
De 600 a 700-
96
De 700 a 800-
112
Po lo tanto como la potencia de la caldera a disear es de 40 BHP
consideraremos:
Dimetro = 42 pulgadas
El cdigo ASME para Calderas,plantea las recomendaciones de
clculo para placas reforzadas con tirantes. El artculo PG-46 del
cdigo, trata sobre espesores de palca requerida por una determinada
presin admisible, influyendo tambin el espaciamiento entre los
tirantes o paso. En este artculo se plantea mediante una ecuacin
que, para una misma presin, a menor de placa el espaciamiento ente
refuerzos debe ser menor, o que para un mismo espesor, a menor
espaciamiento de tirantes la placa soportar mayor presin.
Expresado esto con la siguiente ecuacin, resulta:
P = T2xC (PSIG)
p2
Donde :
T : espesor de la placa requerida, expresada en 16avos de
pulgadas.
P : Mxima presin de trabajo admisible (PSIG)
p: Mximo paso medido entre los centros de los tirantes
adyacentes en la placa,esta distancia puede ser en forma vertical,
horizontal o diagonal (pulg).
C: Constante que vara el tipo de tirante.
El artculo PFT-26 recomienda, para Calderas Pirotubulares un
valor C = 135 con el fin de hallar un mximo espaciamiento o
paso.
Asimismo el artculo PFT-26.5, expresa que para tirantes
diagonales soldados en calderas horizontales del tipo escocesa, el
paso mximo puede ser mayor de 8 4-1/2" pero en ningn caso exceder
15 veces el valor del dimetro del tirante.
Para nuestro diseo:
P = 250 PSIGPresin de diseo.
Para lo cual pide calcular la placa.
Tener presente que segn Cdigo ASME seccin I PFT-9 el mnimo
espesor para las placas portatubos est limitado tambin por su
dimetro de acuerdo a la siguiente tabla:
Dimetro de la PlacaEspesor mnimo
Pulg.
Pulg.
Hasta 36
1/4
De 36 a 54
5/16
De 54 a 72
3/8
Ms de 72
1/2
Por lo tanto asumiendo un espesor de palca de 1/2 pulg. que
equivales a 8/16 de pulgadas con el valor de C = 135 se hallar el
paso mximo de los refuerzos.
Luego se tiene como dato de clculo para:
T = 8
P = 250 PSIG
C = 135
Reemplazando en la ecuacin tendremos:
p = T2C 1/2 = (8)2(135) 1/2 = (34.56)1/2
P
250
p = 5.87"
p = 57/8"
Posteriormente con la distribucin de los tubos se recalcurar por
ver si de todas maneras necesita refuerzos.
Conclusin:
Para la confeccin de la placas portatubos se seleccionar el
material Acero al Carbono Calidad ASTM 285(C, 1/2" de espesor y 42"
de dimetro.
II.EL HOGAR O CMARA DE COMBUSTIN
Es importante mencionar que la cmara de combustin o Flue se
conforma de planchas planas, las mimas que son curvadas o roladas
en fro para luego ser soldadas.
La cmara de combustin debe confeccionar con una adecuada
tolerancia de redondez a fin de poderse unir satisfactoriamente con
las placas-espejos. Se recomienda como una forma prctica que la
desviacin diametral de esta parte no debe exceder a una vez el
espesor de ella, pero siempre se debe considerar la holgura
necesaria para el posterior trabajo de soldadura, garantizado una
buena unin.
Tomando en cuenta que el caldero a disear es de 30 BHP
seleccionaremos un Flue liso.
Para el caso en que el Flue sea liso, el cdigo ASME cuya norma
es PFT-15 establece los espesores del Flue en funcin de la presin
admisible y el dimetro exterior.
Cuando el espesor del Flue es menor o igual que 0.023 veces el
dimetro del Flue se puede plantear la siguiente ecuacin.
P= 107 t PSIG
D
Y cuando el espesor de Flue es mayor que 0.023 veces el dimetro
exterior del Flue se puede plantear la siguiente ecuacin:
P = 173000 t - 275 PSIG
D
Donde:
P : Presin de trabajo mximo admisible o de diseo (PSIG)
t: espesor del Flue (pulg.)
D: Dimetro exterior del Flue (pulg.)
Para nuestro diseo sabemos que:
P = 250 PSIG
Por experiencia se recomienda que el dimetro exterior del Flue
est dentro del rango de 35 al 50% del dimetro interior del casco o
dimetro de la placa.
Por lo tanto nuestro diseo consideraremos el dimetro exterior
del Flue:
D = 16 pulg.
que equivale al 38% del dimetro de la placa (42").
Adems, consideramos un espesor equivale a 7/16" obtendremos que
la relacin:
1
t = 2 = 0.03125 > 0.023
D16
Por tal motivo utilizaremos:
P = 17300 t - 275
D
P= 17300(0.027) - 275
P = 265 PSI.
El cual es mayor que la presin de diseo que es de 250 PSI por lo
tanto es correcto dicho espesor.
Conclusin:
Nuestra cmara de combustin ser hecha de Material Acero al
Carbono Calidad ASTM 285(C, con espesor de 1/2" y de dimetro
exterior igual a 16".
Nota I.
Para calcular la Longitud Circunferencial del Flue se Procede
a:
Lcf pi DM
Donde:
Lcf = longitud circunferencial
DM = Dimetro medio del Flue = D - t
Lcf = pi(16-1/2)
Lcf = 48.69"
Lcf = 48 3/4 pulg.
Nota II.
Para Flue U Hogar con Anillos reforzados
Para el caso del Flue reforzado con anillos la norma PFT del
cdigo explica las reglas para el clculo de este tipo de Flue.
En la figura 7.2 se muestra las caractersticas constructivas de
este Flue.
Para todos los clculos de este Flue se tiene, a la figura 7-2 la
siguiente nomenclatura:
Do: Dimetro exterior del flue liso (pulg.)
t: Espesor mnimo requerido para el Flue (pulg.)
L: Longitud del diseo del Flue anillado. Tomando como la mnima
distancia entre centros de anillos reforzados adyacentes o la
distancia entre el centro del anillo de refuerzo con el centro de
la soldadura de unin del Flue con la placa (pulg.)
P: Presin de trabajo mximo admisible (PSIG)
Las condiciones a cumplir, previas al clculo son:
Espesor de anillo: Tr
5/16" < Tr < 13/16"
Tr < 1.25 t
Relacin altura-espesor del anillo: Hr/Tr
3 < Hr/Tr < 8
Espesor mnimo del flue : t = 5/16"
Espaciamiento L
: menor que 60t 36"
Temperatura de diseo de Flue = 385(C
Segn los clculos de transferencia de calor es 725(F.
Los pasos a seguir para las dimensiones del Flue son:
a.Se asume el valor de t y L, se determina las relaciones L/Do y
Do/t.
b.En la figura 7.3 con el valor de L/Do interceptar
horizontalmente con la curva Do/t.
c.Desde este punto interceptar verticalmente con la curva de la
temperatura (725(F para este caso).
d.Desde este ltimo punto, interceptar horizontalmente hasta el
valor del factor B.
e.Comprar el valor de P es menor, seleccionar un espesor de Flue
t ms grande o un valor menor de L con el fin de incrementar P hasta
que sea igual o mayor que P.
f.Se calcula el valor de la presin admisible P resultante
segn:
P = B (PSIG)
Do/t
Cuando se halla cumplido con los requisitos de la presin, se
sigue con los requisitos del momento de inercia de la seccin del
anillo que viene un rectngulo HrxTr.
El momento de inercia requerida del anillo circunferencial debe
ser mayor que Is calculado segn:
As
Is = Do2L(t + L)A (pulg4)
14
Donde:
Is: Momento de inercia requerida del anillo de refuerzo a su eje
neutro paralelo al eje de Flue (pulg4).
As: Area seccional del anillo de refuerzo (pulg.2)
A: Factor obtenido de fig. 7.3
Para comprar el momento de inercia del anillo de refuerzo
determinado anteriormente, se siguen los siguientes pasos:
1Tenindose conocido Do, L, t seleccionar Hr y Tr, calcular el
rea As.
(As = HrxTr) y determinar su momento de inercia I(I= 1/12
TrxHr3), luego calcular el factor B, factor del aldo derecho del
baco de la fig. 7.3 de la siguiente manera:
B = PxDo
t + As
L
2En baco de la fig. 7.3 interceptar horizontalmente el valor de
B calculado con la curva de la temperatura.
3Bajar verticalmente desde este punto hasta la escala del factor
A y hallarlo.
4Evaluar el momento de inercia requerida Is segn la frmula
anterior de Is.
5Si Is calculado en el 4 paso es menor que I calculado en el
paso 1 la seleccin del anillo asumido es correcta, pero si no lo
es, seleccionar otros valores de Hr y Tr hasta que Is