Universidad Austral de Chile Facultad de Ciencias de la Ingeniería Escuela de Ingeniería Civil Mecánica “DISEÑO DE CALDERA” HOSPITAL CARLOS IBÁÑEZ DEL CAMPO, DE LINARES Integrantes: Patricio Alejandro Antilef Baeza Boris Enrique Arismendi Álvarez Flaminio Iván Becerra Díaz Diego Alberto Troncoso Ávila Alejandro Javier Yefi Núñez Profesores: Sr. Rogelio Moreno Sr. Marcelo Paredes Sr. Juan Rebolledo VALDIVIA CHILE 03 de Junio de 2013
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INFORME CALDERA (indice arreglado) Ing. Civil Mecánica UACh 2013
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Universidad Austral de Chile
Facultad de Ciencias de la Ingeniería
Escuela de Ingeniería Civil Mecánica
“DISEÑO DE CALDERA” HOSPITAL CARLOS IBÁÑEZ DEL CAMPO, DE LINARES
Figura 1. Carta Gantt con fecha 24 de marzo de 2013. Fuente: Microsoft Project 2013. .. 10
Figura 2. Carta Gantt – Continuación. Fuente: Microsoft Project 2013. ............................. 11
Figura 3. Matriz QFD. ........................................................................................................... 14
Figura 4. Descomposición funcional del generador de vapor. ............................................ 18
Figura 5. Diagrama Lay-Out preliminar del diseño. ............................................................. 21
Figura 6. Caño Pre moldeado .............................................................................................. 30
Figura 7. Densidad aparente vs coeficiente de conductividad térmica ............................... 31
Figura 8. Tubería aislada. .................................................................................................... 32
Figura 9. Acumulador con serpentín. ................................................................................... 44
Figura 10. Consumo de agua vs tiempo. ............................................................................. 47
Figura 11. Partes fundamentales del acumulador. .............................................................. 49
Figura 12. Para aire teórico CO2 vs O2. ............................................................................... 59
Figura 13. Para aire real CO2 vs O2. .................................................................................... 60
Figura 14. Intersección de las ecuaciones de aire. ............................................................. 61
Figura 15. Coeficiente Fa ..................................................................................................... 68
Figura 16.Factor Ff ............................................................................................................... 70
Figura 17. Diagrama de Moody............................................................................................ 82
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INDICE DE TABLAS
Tabla 1. Clientes involucrados. ............................................................................................ 12
Tabla 2. Efecto en la caldera debido a impurezas en el agua de alimentación. ................. 15
Tabla 3. Calidad del agua. ................................................................................................... 16
Tabla 4. Características del agua de napas subterráneas en la ciudad de linares. ........... 16
Tabla 5. Criterios para cada caldera. ................................................................................... 19
Tabla 6. Dimensionamiento tubería. .................................................................................... 23
Tabla 7. Caudal volumétrico del vapor. ............................................................................... 24
Tabla 8. Velocidad real del vapor......................................................................................... 25
Tabla 9. Propiedades del régimen del vapor. ...................................................................... 26
Tabla 10. Características de la tubería. ............................................................................... 26
Tabla 11. Pérdidas de carga regular. ................................................................................... 27
Tabla 12. Pérdidas de carga singulares. ............................................................................. 28
Tabla 13. Pérdidas de carga total. ....................................................................................... 29
Tabla 14. Características de tubería. Fuente: Catálogo Volcán.......................................... 31
Tabla 15. Espesor supuesto................................................................................................. 33
Tabla 16. Resistencias térmicas R3 y R 4. .......................................................................... 34
Tabla 17. Resistencia térmica R1. ....................................................................................... 36
Tabla 18. Resistencia térmica R4. ....................................................................................... 37
Tabla 19. Perdida de calor en red de vapor, (Con espesor de aislante supuesto). ............ 38
Tabla 20. Ahorro energético ................................................................................................. 38
Tabla 21. Variación del espesor del aislante y % ahorro de energía .................................. 40
Tabla 22.Espesor de aislante v/s pérdida de calor para cada consumo............................. 41
Tabla 23.Ahorro energético .................................................................................................. 42
Tabla 24.Cálculo costo de inversión en aislación. ............................................................... 42
Tabla 25. Costos energía disipada. ..................................................................................... 43
Tabla 26. Características del acumulador de 1500 litros. ................................................... 48
Tabla 27. Composición química del chip de madera........................................................... 57
Tabla 28. Simbología de los elementos químicos de la madera. ........................................ 57
Tabla 29. Intersección con los ejes cartesianos para aire teórico. ..................................... 58
Tabla 30. Intersección con los ejes cartesianos para aire real. .......................................... 60
Tabla 31. Componentes de la combustión. ......................................................................... 61
Tabla 32. Componentes de combustión. ............................................................................. 62
Tabla 33. Factor Fc .............................................................................................................. 69
Tabla 34. Factor Fs .............................................................................................................. 70
Tabla 35. Cálculo de temperatura del hogar 1 .................................................................... 72
Tabla 36. Cálculo de temperatura del hogar 2 .................................................................... 72
Tabla 37. Características para el vapor saturado. .............................................................. 81
Tabla 38. Características de las tuberías. Fuente: (Aceros Otero, 2012)........................... 81
Tabla 39. Factores de pérdida de carga singulares ............................................................ 82
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2. INTRODUCCIÓN
El presente documento expone el proyecto “Diseño de Caldera, Hospital Carlos
Ibáñez del Campo”, el cual es desarrollado bajo las exigencias que presenta el módulo de
intercambio de energía con fluidos compresibles, MPTL104-09 del VII semestre de la
carrera Ingeniería Civil Mecánica dictada en la Universidad Austral de Chile.
Los fines de este proyecto son de tipo académicos, por lo que el equipo de trabajo
desarrolla el proyecto bajo la metodología PBL (Problem Based Learning), donde los
estudiantes realizan su aprendizaje mediante el estudio de problemas reales.
El proyecto está basado en una licitación pública emitida por el Ministerio de
Salud, la cual trata de la reposición de dos calderas de producción de vapor marca
Kewanee (año 1961), ubicadas en el hospital Carlos Ibáñez del Campo situado en la
ciudad de Linares. Dicha reposición será efectuada por el diseño de una caldera tipo
Escocesa que supla las necesidades de vapor y agua caliente requerida.
Las áreas del establecimiento que se necesitan abastecer con vapor saturado
corresponden al sector de Alimentación, Esterilización y Lavandería. Mientras que el área
de Agua Caliente y Calefacción deben ser abastecidas por agua sub enfriada.
Además en el diseño de la caldera el equipo se preocupará del cálculo del sistema
de redes de vapor y agua necesario para abastecer los sectores de consumo,
considerando diversos elementos, tales como válvulas, bombas de agua, trampa de
vapor, acumuladores, intercambiadores de calor, etc.
El desarrollo del proyecto involucra conocimientos de diversas materias, tales
como la mecánica de fluidos, termodinámica y transferencia de calor. Estas ciencias se
utilizan en la solución de problemas termomecánico.
La mecánica de fluidos estudia los movimientos de los fluidos así como las fuerzas
que lo provocan, la termodinámica en cambio se focaliza en estudiar la conversión de una
forma de energía en otra y la transferencia de calor se especializa en estudiar el paso de
la energía térmica desde un cuerpo de mayor temperatura a otro de menor temperatura.
Finalmente se desarrollará un sistema generador de vapor y su posterior
distribución a partir de los requisitos de una licitación real, en donde se espera entregar
una propuesta satisfactoria, debido a que el funcionamiento del establecimiento depende
principalmente de este sistema. Así mismo mencionar que se desea seguir aumentando
las capacidades y conocimientos de los alumnos dentro de la carrera Ingeniería Civil
Mecánica.
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3. PROBLEMA DE DISEÑO Y OBJETIVOS
3.1. Problema
Por medio de una licitación pública, el Servicio de Salud del Maule, llama a la
propuesta pública para la realización de un proyecto llamado “Reposición de calderas
hospital de Linares”.
El establecimiento necesita cumplir con la demanda de los consumos principales,
siendo estos los de lavandería, alimentación, esterilización, agua caliente y calefacción.
En el ámbito de limpieza, es muy importante contar con un suministro de vapor en
donde se requiere de temperaturas y presiones determinadas, ya que juegan un rol
fundamental en la eliminación de organismos bacteriológicos. Además, sabiendo en las
condiciones que deben tratar a las personas dentro del hospital, la calefacción es de vital
importancia para entregar una temperatura determinada al momento de calefaccionar.
Para el área de esterilización, se utiliza el vapor para la desinfección de utensilios,
herramientas entre otros, gracias a las grandes temperaturas que se pueden alcanzar.
También así, se debe tener en cuenta que las personas deben disponer de agua a una
temperatura adecuada para ser utilizada en baños, cocinas y también en el lavado de
utensilios.
3.2. Definición del Problema
El hospital Carlos Ibáñez del Campo, ubicado en la ciudad de Linares, requiere de
la continuidad de los suministros actuales de agua caliente y vapor, utilizando como
combustible de trabajo chip húmedo 120% de humedad base seca, para así satisfacer el
consumo de los servicios que presta el establecimiento hacia la comunidad.
3.3. Objetivos
3.3.1. Objetivo general
Diseñar un sistema de generación y abastecimiento de vapor a base de chip
capaz de alimentar las dependencias del establecimiento.
3.3.2. Objetivos específicos
Diseñar un generador de vapor que abastezca un consumo total de 3000 kgv/h a
una presión de 7 kg/cm2.
Diseñar un sistema de red para la distribución de vapor y agua caliente a cinco
consumos distintos.
Seleccionar y/o diseñar equipos complementarios para la generación y
abastecimiento del hospital.
9
Corroborar mediante el software el diseño mecánico de la caldera y el estaque de
agua caliente.
Confeccionar un manual de operación.
Generar planos del diseño.
Redactar un informe detallado del proceso de diseño.
3.4. Fronteras del proyecto
El proyecto se enfoca principalmente en el diseño de la planta generadora de
vapor, esto contempla diseñar y/o seleccionar cada componente que forma del sistema de
generación de vapor, considerando las redes de abastecimiento y distribución de materia
hacia las distintas dependencias del hospital.
El equipo no se involucrará en el desmontaje e instalación de la planta generadora
de vapor.
3.5. Alcances del proyecto
El proyecto irá dirigido al hospital Carlos Ibáñez de Campo, ubicado en Linares en
la VII Región, con el propósito de satisfacer los consumos en lavandería, alimentación,
esterilización, agua caliente y calefacción del establecimiento.
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4. PLANIFICACION DE PROYECTO
El equipo de trabajo tomó la decisión de confeccionar una carta Gantt, con el
propósito de organizar los tiempos en base a las etapas del diseño. Este método se usa
para tener un programa en función del tiempo estipulado de un proyecto.
Se debe mencionar que hoy en día esta es una herramienta básica en la gestión
de proyectos en donde se trabaje con una cantidad de tareas y recursos humanos
considerables, por ello a continuación en la Figura 1 y Figura 2, se aprecia la carta Gantt
generada por el equipo de trabajo.
Figura 1. Carta Gantt con fecha 24 de marzo de 2013. Fuente: Microsoft Project 2013.
11
Figura 2. Carta Gantt – Continuación. Fuente: Microsoft Project 2013.
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5. DEFINICIÓN DEL PRODUCTO
5.1. Método matriz QFD (Quality Function Deployment)
El método de la matriz QFD es una forma ordenada y eficiente de desarrollar la
información necesaria para entender el problema de diseño (Ullman, 2010) pág. 145.
Las funciones de la Matriz QFD son las siguientes:
1. Escuchar la voz de los clientes.
2. Desarrollar las especificaciones y objetivos para el producto.
3. Encontrar como las especificaciones miden los deseos de los clientes.
4. Medir que tan bien las competencias satisfacen el objetivo del proyecto.
5. Desarrollar tareas numéricas hacia las cuales trabajar.
5.2. Clientes involucrados
Los mandantes son:
Clientes Título
Rogelio Moreno Ingeniero Civil Mecánico,
M Sc. Dr. Ingeniería Mecánica.
Marcelo Paredes Ingeniero Civil Mecánico.
Juan Rebolledo Ingeniero Civil Mecánico.
Tabla 1. Clientes involucrados.
Desde un principio, se entiende que el proyecto está ordenado por las autoridades
del hospital base de Linares, sin embargo este proyecto tiene fines académicos y por
ende los clientes directamente relacionados con la licitación son los docentes a cargo del
VII semestre específicamente el “Módulo de intercambio de energía con fluidos
compresibles”, siendo estos clientes indirectos del proyecto.
5.3. Requerimientos y especificaciones de ingeniería
En base a lo entregado por clientes del proyecto (profesores) y junto con el uso de
información de proyectos anteriores ligados al diseño de una caldera, se logró obtener los
requerimientos, los cuales además el grupo de trabajo genero especificaciones de
13
ingeniería para describir los requerimientos y necesidades de los mandantes, siendo
estos con parámetros de medición, con el fin de fijar metas a seguir.
Aquí se puede apreciar que a cada requerimiento se le asigna como mínimo una
especificación de ingeniería, ya que si no fuese así, (Ullman, 2010) pág. 159 dice: “Si la
unidad de un parámetro de ingeniería no es encontrada, el parámetro no es medible y
debe ser renombrado”.
La caldera debe utilizar como combustible chip húmedo
Porcentaje de humedad del combustible (%).
Abastecer los consumos de agua caliente y vapor de las diferentes secciones
del hospital
Consumo de vapor de las distintas dependencias del establecimiento (kgv/hr).
Alimentar caldera con agua potable de la ciudad de Linares
Turbiedad de agua de alimentación (ppm).
Dureza total del agua (ppm).
PH del agua (PH).
Buena visibilidad en la lectura en los instrumentos de medición
Área visible de los medidores de presión (m2).
Área visible de los medidores de temperatura (m2).
Área visible de los medidores de nivel de agua (m2).
Área visible de los medidores de solidos disueltos (m2).
Área visible de los medidores de flujo de masa (m2).
Minimizar el área de operación de la caldera y sus componentes
Ancho de la caldera (m).
Largo de la caldera (m).
Alto de la caldera (m).
Contar con orificios de registro de tamaño y calidad
Cantidad de orificios de registro de tamaño y calidad (N°).
Evitar lo más posible las pérdidas de calor (referido a aislación)
Rendimiento de la caldera (%).
Temperatura de los gases que van a la chimenea (°C).
Evacuar seguramente los gases de la combustión
Altura de chimenea (m).
Diámetro de chimenea (m).
Soportar condiciones de uso
Presión máxima de trabajo (kg/cm2).
Temperatura máxima de trabajo (°C).
Seguridad del sistema de generación de vapor y redes de transporte
Cantidad de elementos de seguridad en el área (N°).
Distancia entre la caldera y las paredes del recinto (m).
Distancia libre sobre el elemento más elevado de la caldera (m).
Cantidad de puertas de la caldera (N°).
Fácil alimentación de combustible a la caldera
Alto de la caldera (m).
14
Fácil acceso al interior de la caldera
Cantidad de personas necesaria para abrir la puerta (N°).
Volumen requerido para ingresar una persona en la caldera (m3).
5.4. Matriz QFD
Se aprecia en la Figura 3, el ensamble final de la matriz QFD, donde se aprecia la
relación de los requerimientos y especificaciones, dando lugar a una posterior
ponderación entre estas dos y la importancia que estimó cada cliente.
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Fácil alimentación de combustible a la caldera
Seguridad del sistema de vapor y redes de transporte
Soportar condiciones de uso
Evacuar seguramente los gases de la combustión
Evitar lo más posible las pérdidas de calor (referido a aislación)
Contar con orificios de registro de tamaño y calidad
Fácil acceso al interior de la caldera
Minimizar el área de operación de la caldera y sus componentes
Buena visibilidad en la lectura en los instrumentos de medición
Alimentar caldera con agua potable de la ciudad de Linares
Abastecer los consumos de agua caliente y vapor de las diferentes secciones del hospital
La caldera debe utilizar como combustible chip húmedo
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2.2
2
2.5
Figura 3. Matriz QFD.
15
6. CONSIDERACIONES DE DISEÑO
6.1. Agua para calderas
El tratamiento de agua de una caldera de vapor o agua caliente es fundamental
para asegurar una larga vida útil libre de problemas operacionales, reparaciones de
importancia y accidentes.
Con el propósito de evitar problemas de corrosión e incrustaciones, es de vital
importancia emplear un tratamiento de agua para asegurar la calidad del agua de
alimentación y del agua contenida en la caldera.
6.2. Problemas causados por las impurezas del agua
En la Tabla 2 se presentan los problemas y su descripción:
Efecto en la caldera debido a impurezas en el agua
Problema Descripción
Embancamiento El barro y el silicio mezclados con sales, se depositan en el fondo de la caldera, impidiendo la libre circulación del agua.
Incrustaciones Costras duras producidas por sales de calcio y magnesio, se adhieren a las superficies y afectan la T.D.C al agua, provocan recalentamiento de tubos, provocando roturas y obstrucciones.
Corrosiones Deterioro en las superficies de la caldera, debido a la acción del oxígeno, anhídrido carbónico y sales. Además tratamientos del agua mal aplicados (desincrustantes).
Arrastre Ocurre cuando el vapor de agua lleva partículas en suspensión, estas partículas llevan solidos disueltos, provocando problemas de funcionamiento.
Fragilidad Caustica
Se produce cuando el agua contiene hidróxido de sodio en exceso, generando fisuras en los tubos y elementos sometidos a esfuerzos mecánicos.
Tabla 2. Efecto en la caldera debido a impurezas en el agua de alimentación.
6.3. Características de la calidad del agua según Decreto Supremo N°48
En base a lo descrito en el decreto N°48 “Aprueba reglamento de calderas y
generadores de vapor” (Chile, 1984), se destaca en el artículo 16° ciertas prescripciones
que debe cumplir el agua que alimenta una caldera para el óptimo funcionamiento de
esta.
Las características del agua en relación a su calidad son:
16
Calidad del agua según Decreto Supremo N°48
1. La turbiedad del agua de alimentación debe ser inferior a diez partes por millón (10 ppm).
2. La dureza total del agua debe ser inferior a treinta y cinco partes por millón (35 ppm).
3. No debe contener aceites ni substancias corrosivas.
4. El PH del agua no debe ser inferior a 7.
5. El condensado del vapor se puede reutilizar como agua de alimentación siempre que no se encuentre contaminada con aceites o substancias corrosivas.
6. Si las incrustaciones en la superficie es de espesor superior a 30% del grosor de las paredes (sección de mayor transmisión de calor), no debe entrar en funcionamiento hasta que se limpie, desincrustación y
revisión de instalaciones ablandadoras, garantizando la entrega de agua blanda.
Tabla 3. Calidad del agua.
6.4. Características del agua de Linares
Extracción de información del documento (Ortega, 2009), donde se realizaron
estudios del agua de capas subterráneas de pozos, zanjones y esteros, por lo tanto se
utilizó esta información para poder caracterizar el agua y tener en cuenta los valores
aproximados tanto de dureza, pH y turbiedad del agua.
A continuación se muestra la Tabla 4 que resume los siguientes datos:
Característica Valor
Dureza total 49.2 ppm
pH 7.04
Turbiedad 20 ppm Tabla 4. Características del agua de napas subterráneas en la ciudad de linares.
17
6.5. Tratamiento recomendado según Asociación chilena de seguridad (ACHS)
El agua debe ser tratada de con el propósito de prevenir futuros problemas
causados por las impurezas, utilizándose algún procedimiento adecuado. Por lo tanto se
recomienda el tratamiento físico que se describe de la siguiente manera según (Pedro
Abarca Bahamondes, 2007):
Filtración: Su objeto es extraer partículas grandes en suspensión. Se realiza
antes que el agua llegue a la caldera (externo). Los filtros pueden ser de mallas
(pequeñas instalaciones) o de grava y arena.
Desaireación: También llamada desgasificación. Consiste en extraer los gases
disueltos (oxígeno, anhídrido carbónico). Se consigue calentando el agua de alimentación,
proporcionando una gran área de contacto agua-aire (ducha o agitación).
Extracciones o purgas: Consiste en evacuar cierta cantidad de agua desde el
fondo de la caldera o del domo, con objeto de disminuir o mantener la cantidad total de
sólidos disueltos y extraer lodos (en el caso de purga de fondo). La extracción puede ser
continua o intermitente. La magnitud de la extracción depende de la concentración de
sólidos disueltos a mantener en la caldera y la del agua de alimentación.
18
7. GENERACIÓN DE CONCEPTOS
El objetivo aquí es poder determinar un concepto que se adapte de mejor manera
a las condiciones de diseño de la caldera, para esto se realizarán dos tareas
fundamentales para poder entender la función que cumple el producto (caldera) y
posteriormente realizar una serie de evaluaciones a criterios que se encuentran en
comparación.
7.1. Descomposición funcional
Parte del diseño conceptual del proyecto es conocer lo que el producto debe
realizar, para ello se identifica la función general del producto como un “sistema que utiliza
agua tratada con el propósito de generar vapor y agua caliente para las distintas
dependencias del hospital de Linares”.
Para entender el funcionamiento del sistema generador de vapor y redes, se
realiza un diagrama de subfunciones, el cual se presenta en la Figura 4.
Figura 4. Descomposición funcional del generador de vapor.
19
7.2. Tipo de caldera a diseñar
A continuación se puede apreciar una serie de criterios que se consideraran para
poder tomar una decisión viable respecto al tipo de caldera que se diseñará. Las calderas
que se eligieron son del tipo “compactas” y “escocesas”. Los criterios que se escogieron
provienen del libro (Shield, 1973) y dan una información clara y específica para tomar la
decisión.
En la Tabla 5 se aprecia los criterios seleccionados y su respectiva evaluación.
Criterios Cadera tipo Compacta Caldera tipo Escocesa
Tipo de combustible
Solidos Líquidos, gaseosos y solidos
Presión de trabajo Baja presión (hasta 2 [kg/cm2]) Media presión (entre 2 y 10 [kg/ cm2])
Geometría Irregular Cilíndrica
Volumen cámara de combustión
Amplio Reducido
Fácil limpieza Si No
Costo Económico Económico
Importancia del tratamiento de H2O
Alta Baja
Eficiencia Hasta un 80% Entre 75% a 80%
Tabla 5. Criterios para cada caldera.
El criterio “Presión de trabajo” que se observa en la tabla anterior, señala las
presiones a las que trabajan las calderas pre-seleccionadas. A primera vista se puede
pensar que no es un criterio significativo para la toma de decisión, pero existe en la
literatura de diseño y construcción de calderas antecedentes que muestran que se han
confeccionado calderas tipo Compactas que trabajan a las presiones de las tipo
Escocesa. Pero estos son casos particulares, realizados por empresas dedicadas al
rubro. Aun así, el equipo de trabajo lo consideró para los criterios, ya que está información
es procedente de uno de los libros utilizados como guía para el desarrollo del proyecto
(Shield, 1973), siendo esto una buena práctica en el diseño.
Respecto al tipo de combustible, los dos tipos de caldera son aptos para el chip
de madera, sin embargo la presión de trabajo, da un valor claro a favor de la caldera
escocesa ya que la presión de trabajo dada corresponde a 7 kg/cm2.
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La geometría de forma cilíndrica reduce de manera considerable la presión
interna, paralelamente la estabilidad es mucho mayor gracias a su forma regular.
El volumen de la cámara de combustión es favorable para el tipo compacta,
debido a la gran masa de combustible, sin embargo esto se puede compensar con el
diseño de un ante-hogar.
Con respecto a la limpieza, la tipo compacta es mucho más fácil realizar un aseo
dentro de esta ya que a diferencia de una tipo escocesa la cual posee superficies internas
que no tienen fácil acceso, especialmente las secciones que quedan abajo del fogón.
La importancia del tratamiento del agua, no es elevada para el tipo escocesa ya
que los precipitados, materiales en suspensión y fangos, se acumulan en el espacio que
queda debajo de fogón, la cual es una zona de movimiento relativamente escaso.
Para el último criterio, la eficiencia es un valor muy importante ya que repercute
muy directamente con los costos, para ambos casos la eficiencia no supera el 80%.
Por lo tanto el grupo de trabajo tomo la decisión de diseñar una caldera del tipo
escocesa, ya que cumple con la mayoría de los criterios descritos anteriormente, sin
embargo en el caso de la limpieza se debe recurrir a un servicio especializado en el aseo
de esta. En base a los criterios evaluados se puede asegurar que el diseño de la caldera
escocesa llevará a un producto óptimo.
21
8. REDES DE VAPOR
En esta sección es importante considerar el cálculo de las redes de vapor, ya que
son las encargadas de transportar el vapor generado en la caldera hasta los distintos
lugares en donde los procesos puedan requerir la energía que el vapor puede llegar a
ceder. Básicamente el vapor es transportado a través de cañerías y que se clasifican de
distintas maneras.
Aquí se aplica directamente la mecánica de fluidos, transferencia de calor y
termodinámica, siendo estas las materias primarias para realizar el diseño y/o cálculos
necesarios.
Parte fundamental del proceso de generación de vapor es el abastecimiento de
agua a la caldera y posterior distribución de vapor hacia las distintas áreas de consumo.
8.1. Diagrama Lay-Out
Se muestra en la Figura 5 el esquema que permita visualizar la distribución de los
elementos de la caldera y redes de vapor dentro de la sala de calderas.
Esterelización
Lavandería
Aliementación
Agua Caliente
Man
ifo
ld
Ch
ip
Intercambiador de calor
Intercambiador de calor
Radiador
Acumulador para agua caliente
sanitaria
Fosa para purga
Caldera
Ante-hogar
Transportador
Estanque de condensado
Estanque para tratamiento del agua
Agua fría
Agua caliente
Vapor
Retorno condensado
Combustible
Abastecimiento de agua
Figura 5. Diagrama Lay-Out preliminar del diseño.
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8.2. Distribución de vapor hacia las áreas de consumo
Tal como se había mencionado con anterioridad el sistema generador de vapor
debe cumplir con el abastecimiento de cinco áreas funcionales del Hospital Carlos Ibáñez
del Campo, para ello el sistema de redes debe ser capaz de transportar vapor saturado o
agua caliente según sea caso hacia las áreas de consumo.
8.2.1. Dimensionamiento de la red
Existen diversos procedimientos para dimensionar las cañerías de la red de vapor,
por lo que el equipo utilizara el método de velocidad constante. Este método relaciona el
diámetro mínimo teórico (D) que debe tener la cañería, la velocidad del vapor (V) y el
caudal volumétrico (Q) del vapor mediante la Ecuación 1. presentada a continuación:
√
Ecuación 1.
Dónde: Q: Caudal volumétrico en (m3/h).
V: Velocidad máxima aconsejable en (m/s).
Teniendo en cuenta los caudales volumétricos de cada sector a abastecer en el
hospital y considerando que la velocidad máxima recomendable que puede llevar el vapor
para una presión absoluta de 8 kg/cm2 es de 40 m/s según lo indica el Manual de
Instalaciones térmicas (Paredes Cinfuentes, 1980, pág. 34), entonces se obtienen los
diámetros mínimos teóricos que debe poseer la cañería, tal como se indican en la
Tabla 6.
Debido a que no se fabrican comercialmente cañerías con las dimensiones
teóricas solicitadas, se utiliza el manual aceros Otero (Aceros Otero, 2012) para identificar
las dimensiones reales de las cañerías que se comercializan dentro del país, las cuales se
detallan en la
Tabla 6.
El cálculo de los caudales volumétricos se realiza detalladamente en el siguiente
punto, por mientras solo se presentan los valores en la
Tabla 6.
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Área de Consumo
Caudal Volumétrico
(m3/h)
Velocidad máx.
Aconsejable (m/s)
Diámetro min. Teórico de la tubería
(m)
Diámetro min.
Comercial de la cañería (m)
Diámetro N. comercial de
la tubería (Pulg.)
Red Principal 734.39 40.0 0.0806 0.09012 3 ½
Esterilización 78.34 40.0 0.0263 0.03508 1 ¼
Lavandería 78.34 40.0 0.0263 0.03508 1 ¼
Alimentación 73.44 40.0 0.0255 0.03508 1 ¼
Agua Caliente 68.54 40.0 0.0246 0.03608 1 ¼
Calefacción 342.72 40.0 0.0550 0.06268 2 ½
Tabla 6. Dimensionamiento cañería.
Una vez dimensionada la red, se procede con la selección del tipo de cañería que
conducirá el vapor hacia los sectores de consumo, para ello se utiliza el manual aceros
otero (Aceros Otero, 2012) el cual recomienda utilizar una cañería ASTM A106 grado B de
acero al carbono. Mayor información técnica acerca de las cañerías a utilizar se presenta
en la
Tabla 38.
8.2.2. Cálculo de pérdida de carga en red de vapor
El sistema de distribución de vapor es un enlace importante entre la fuente
generadora de vapor y los sectores de consumo. Es por ello que se debe tener en cuenta
la perdida de energía cinética que presenta el vapor debido a la fricción de sus partículas
entre si y contra las paredes de la cañería.
Existen pérdidas de carga de tipo regulares, las cuales se deben a la fricción que
se genera en las tuberías, y pérdidas de tipo singulares las cuales son ocasionadas por
todos aquellos accesorios de la red, tales como válvulas, trampas de vapor, codos, tés,
etc.
8.2.2.1. Pérdidas de carga regulares
Para el cálculo de perdida de carga se deben conocer las siguientes variables:
Temperatura del vapor.
Presión del vapor.
Longitud del tramo de cañería recta.
Número y tipos de accesorios de la cañería.
Diámetro de la cañería.
Tipo de cañería y rugosidad absoluta.
Caudal de trabajo.
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Considerando que en las redes de vapor se distribuye vapor saturado a presión absoluta
de 8 kg/cm2 y temperatura de saturación de 169.6 °C, según lo indica la tabla
termodinámica de vapor saturado (Tabla 37) se obtienen las propiedades del vapor
saturado:
Densidad: ρ = 4.085 (kg/m3).
Viscosidad cinemática: = 3,589 x 10-6 (m2/s).
Al conocer la densidad del vapor saturado, esta es utilizada para obtener el caudal
volumétrico existente, el cual se rige por la Ecuación 2..
Ecuación 2.
Dónde: Q: Caudal volumétrico (m3/h)
Qm: Caudal másico en (kgv/h)
ρ: Densidad del vapor en (kgv/m3)
Conociendo la ecuación anterior, se calcula el caudal volumétrico para cada sector
de consumo, cuya información se presenta en la
Tabla 7 .
Área de consumo Caudal másico en
(kgv/h) Densidad del vapor
saturado en (kgv/m3) Caudal
Volumétrico
Red principal 3000 4.085 734.39
Esterilización 320 4.085 78.34
Lavandería 320 4.085 78.34
Alimentación 300 4.085 73.44
Agua Caliente 280 4.085 68.54
Calefacción 1400 4.085 342.72
Tabla 7. Caudal volumétrico del vapor.
Utilizando los valores del caudal volumétrico (Q) de vapor saturado y en conjunto
con los diámetros interiores comerciales (Dint) de las cañerías, presentados anteriormente
en la Tabla 7, se puede calcular la velocidad máxima real que lleva el vapor en la cañería,
la cual está dada por la Ecuación 3.
Ecuación 3.
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Dónde:
: Velocidad real del vapor (m/s)
Q: Caudal volumétrico en (m3/h).
D: Diámetro interno de los tubos en (m).
Aplicando la ecuación anterior a cada consumo, se muestra en la
Tabla 8, que el valor de la velocidad real se encuentra por debajo de los 40 m/s que debe
llevar el vapor saturado como máximo para la presión manométrica de 7 kg/cm2.
Área de consumo Diámetro interior
de cañería (m) Caudal volumétrico
(m3/h) Velocidad real del vapor (m/s)
Red principal 0.09012 734.39 31.981
Esterilización 0.03508 78.34 22.514
Lavandería 0.03508 78.34 22.514
Alimentación 0.03508 73.44 21.107
Agua Caliente 0.03508 68.54 19.699
Calefacción 0.06268 342.72 30.852
Tabla 8. Velocidad real del vapor.
Al obtener los datos de la velocidad del vapor saturado, la viscosidad cinemática y
el diámetro de la cañería, estos se utilizan para calcular el número de Reynolds ( ). Este
se encuentra definido a continuación por la Ecuación 4.
Ecuación 4.
Dónde:
V: Velocidad del vapor saturado en (m/s).
D: Diámetro interior de cañería (m).
: Viscosidad cinemática en (m2/s).
El número de Reynolds permite conocer si el vapor posee un régimen laminar (
< 2300), un flujo turbulento ( > 2300) o un flujo critico en caso de que = 2300. A
continuación en la
Tabla 9, se conoce el número de Reynolds para cada tramo de cañería por donde circula
el vapor saturado y su respectivo tipo de flujo.
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Área de consumo
Diámetro interior de
cañería (m)
Velocidad real del vapor en
(m/s)
Viscosidad Cinemática en (m2/s)
Número de Reynolds
(adimensional)
Régimen del Vapor
Red principal 0.09012 31.981 3.589*10-6 803049.230 Turbulento