Manual de Consulta
MANUAL DE CONSULTA Calderas y Periféricos Vapor y Agua Caliente Cálculos –Accesorios – Aplicaciones – Instalaciones –Ter
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MANUAL DE CONSULTA Calderas y Periféricos Vapor y Agua Caliente Cálculos –Accesorios – Aplicaciones – Instalaciones –Terminología Características – Tablas - Tratamiento de Agua
Clayton de México, S.A. de C.V. México, D. F. www.clayton.com.mx MCxSP/09-08 RevB
Clayton Industries City of Industry, Ca., U.S.A. www.claytonindustries.com
Clayton of Belgium N. V. Bornem, Belgium www.clayton.be
PREFACIO El objetivo del Manual de Consulta, es el de orientar al lector sobre la más eficiente forma de utilización del vapor y agua caliente, sobre el funcionamiento de los equipos que lo generan así como de los equipos periféricos complementarios, los accesorios y controles requeridos para su instalación y operación, mencionando algunos ejemplos típicos sobre cálculo para selección del equipo y periféricos requeridos para suministro de vapor y/o agua caliente necesarios para el calentamiento o proceso proyectados. Con la información anterior el lector tendrá mayor conocimiento para efectuar una adecuada selección del equipo Generador de Vapor o de Agua Caliente, del equipo y controles complementarios, y de los requerimientos para su instalación, puesta en marcha y mantenimiento posterior. Clayton de México pone a su disposición el Departamento de Ingeniería quien le podrá proporcionar la asistencia técnica necesaria dándole la información específica sobre la aplicación, selección, elaboración de Proyecto, instalación, funcionamiento y mantenimiento del equipo y periféricos para la generación de vapor y/o de agua caliente, así como estudio, propuesta y ejecución de proyectos llave en mano. También le ofrece su Centro de Capacitación para el adiestramiento de sus técnicos.
NOMENCLATURA hf hfg hg Pman Pabs Patm F. E. E. R.
Entalpía de saturación, calor sensible (kcal/kg, BTU/lb) Entalpía de vaporización, calor latente (kcal/kg, BTU/lb) Entalpía total de vapor saturado, calor total (kcal/kg, BTU/lb) Presión manométrica (kg/cm2) Presión absoluta (kg/cm2) Presión atmosférica (kg/cm2) Factor de evaporación (adimensional) Evaporación real (kg/h)
η PC Ws Wc Qc Cc Qs Qp Q u vg m V Hf f L g D F P1 P2 EDR W t G
Eficiencia del generador de vapor Poder calorífico del combustible (kcal/kg) Flujo de vapor producido por hora en kg o lb kg, litros, galones, lb, pies³ o m³ del combustible quemado Flujo de calor entregado por el combustible Cantidad de combustible, quemado por hora, en peso Calor suministrado Calor perdido Calor (kcal/kg) Velocidad del flujo (m/s) Volumen específico (m3/kg) Masa (kg, lb) Caudal volumétrico (m3/s) Perdidas por fricción (m) Factor de fricción Longitud equivalente del tubo (m) Constante gravitacional (9.81m/s²) Diámetro interior del tubo (m) Factor de presión Presión a la entrada Presión a la salida Radiación de vapor Peso de material (kg) Tiempo (h, min, s) Volumen del líquido por calentar (lt)
ρ Wi Wf A U
Densidad relativa (kg/m3) Peso inicial del material (kg/h) Peso final del material (kg/h) Área de la superficie de calentamiento (m2) Coeficiente de transferencia de calor (para convección natural)
α faisl
Coeficiente de dilatación mm/m°C Factor de aislamiento
υ hp
Volumen específico del valor de la presión de la línea de retorno Entalpía del líquido a la presión del vapor
hr AO K gpg lph kgv ltv T. O. %RC TR F. C. ppm BHP
Entalpía del líquido a la presión de la línea de retorno Área del orificio en m² Coeficiente de descarga efectivo (K = 0.878) Galón por hora Litro por hora Kilogramos de vapor Litro de vapor. Tiempo de operación Porcentaje de Retorno de Condensado Tiempo de Regenerado Factor de Carga, o rate del generador de vapor Parte por millón Caballo caldera
φ wc V Cp T
Diámetro de tubería (pulg) Columna de agua Volumen (lt) Calor específico (kcal/kg°C) Temperatura
ΔT Diferencial de temperatura Pop Presión de operación (kg/cm2) Qf Calor de fusión (kcal/kg) TH2O alim Temperatura del agua de alimentación T0 Temperatura inicial (°C) Tf Temperatura final (°C) t Tiempo (h, min, s) ws Caudal de vapor (kg de vapor/h)
CALDERAS Y PERIFÉRICOS VAPOR Y AGUA CALIENTE CONTENIDO I PRINCIPIOS TEÓRICOS Y DE CÁLCULO PRINCIPIOS TEÓRICOS................................................................................................................................. 1 QUÉ ES EL VAPOR .......................................................................................................................... 1 CÓMO SE FORMA EL VAPOR ........................................................................................................ 1 VAPOR COMO FLUÍDO DE TRABAJO........................................................................................... 1 GENERACIÓN DE VAPOR ............................................................................................................................. 2 CONCEPTO DE GENERADOR DE VAPOR .................................................................................................. 2 TIPOS DE GENERADORES DE VAPOR ....................................................................................................... 2 CLASIFICACIÓN DE LOS GENERADORES DE VAPOR POR SU APLICACIÓN........................ 3 GENERADORES DE VAPOR PARA USOS DOMÉSTICOS ............................................ 3 GENERADORES DE VAPOR DE GENERACIÓN DE ENERGÍA PARA PLANTAS TERMOELÉCTRICAS......................................................................................................... 3 GENERADORES DE VAPOR PARA PLANTAS DE COGENERACIÓN ......................... 3 GENERADORES DE VAPOR PARA APLICACIONES MARINAS EN BARCOS ........... 4 GENERADORES DE VAPOR PARA GENERACIÓN DE ENERGÍA EN PLANTAS INDUSTRIALES .................................................................................................................. 4 CLASIFICACIÓN DE LOS GENERADORES DE VAPOR POR SU DISEÑO ................................ 4 GENERADORES PIROTUBULARES O DE TUBOS DE HUMO ...................................... 4 DISEÑO DRY BACK Y WET BACK ....................................................................... 5 GENERADORES DE VAPOR ACUATUBULARES O DE TUBOS DE AGUA................. 6 GENERADOR DE VAPOR CLAYTON ........................................................................................................... 6 FUNCIONAMIENTO GENERAL ....................................................................................................... 7 COMPONENTES BÁSICOS DEL GENERADOR DE VAPOR CLAYTON ..................................... 8 BOMBA DE AGUA ............................................................................................................. 8 UNIDAD DE CALENTAMIENTO (SERPENTÍN/INTERCAMBIADOR DE CALOR) ......... 9 SEPARADOR DE VAPOR................................................................................................ 10 TRAMPA DE VAPOR ....................................................................................................... 11 GENERADOR DE AGUA CALIENTE CLAYTON ........................................................................................ 11 FUNDAMENTOS DE LOS SISTEMAS DE AGUA CALIENTE...................................................... 11 FUNCIONAMIENTO GENERAL ..................................................................................................... 12 COMPONENTES BÁSICOS DEL GENERADOR DE AGUA CALIENTE ..................................... 12 INSTALACIONES TÍPICAS DE GENERADORES DE AGUA CALIENTE ................................... 13 SERVICIO TÍPICO DE AGUA CALIENTE ....................................................................... 13 SISTEMA DE AIRE ACONDICIONADO Y SISTEMA DE AGUA SOBRECALENTADA13 CALENTAMIENTO A TRAVÉS DE UN INTERCAMBIADOR DE CALOR..................... 14 INSTANTÁNEOS .............................................................................................................. 14 GENERADOR DE VAPOR MODULANTE CLAYTON ................................................................................. 14 MODULACIÓN EN GENERADORES DE VAPOR ........................................................................ 14 MODULACIÓN POR VARILLAS...................................................................................... 14 MODULACIÓN POR SERVOMOTORES......................................................................... 15 COMPONENTES BÁSICOS DEL GENERADOR DE VAPOR MODULANTE CLAYTON........... 16 SISTEMA DE CONTROL PLC ......................................................................................... 16 VENTAJAS EN LA ADQUISICIÓN DE UN GENERADOR DE VAPOR CLAYTON vs. UN GENERADOR DE VAPOR CONVENCIONAL ....................................................................................... 17 AHORRO DE COMBUSTIBLE ....................................................................................................... 17 MENOR PESO Y ESPACIO............................................................................................................ 18 SEGURIDAD.................................................................................................................................... 18
CALIDAD DE VAPOR ..................................................................................................................... 19 RESPUESTA RÁPIDA .................................................................................................................... 19 BAJAS EMISIONES........................................................................................................................ 19 PURGA REDUCIDA ........................................................................................................................ 20 RÁPIDO ARRANQUE ..................................................................................................................... 20 CERTIFICACIÓN ASME ................................................................................................................. 20 CÁLCULO DE UN GENERADOR DE VAPOR............................................................................................. 21 CASO 1 (CONDICIONES IDEALES).............................................................................................. 21 CASO 2 (CONDICIONES REALES)............................................................................................... 22
II TRATAMIENTO DEL AGUA DE ALIMENTACIÓN INTRODUCCIÓN ........................................................................................................................................... 25 GENERALIDADES ........................................................................................................................................ 25 INCRUSTACIONES O DEPÓSITOS............................................................................................................. 25 SUAVIZADOR DE AGUA ............................................................................................................... 27 OPERACIÓN DEL SUAVIZADOR AUTOMÁTICO.......................................................... 28 CÁLCULO DE UN SUAVIZADOR.................................................................................... 29 DATOS IMPORTANTES SOBRE LA LÍNEA DE AGUA DE REPOSICIÓN AL SUAVIZADOR ................................................................................................................... 31 CORROSIÓN ................................................................................................................................................. 32 ARRASTRES ................................................................................................................................................. 34 SÓLIDOS DISUELTOS ................................................................................................................... 34 SÓLIDOS EN SUSPENSIÓN .......................................................................................................... 34 CÁLCULO DE PURGA DE SÓLIDOS EN GENERADORES DE VAPOR .................................... 35 COSTO DE LA PURGA DE SÓLIDOS DE UN GENERADOR DE VAPOR ................... 37 REQUERIMIENTOS DEL AGUA DE ALIMENTACIÓN ............................................................................... 38
III PERIFÉRICOS DE UN GENERADOR DE VAPOR SUAVIZADOR DE AGUA.............................................................................................................................. 39 TANQUE DE ALMACENAMIENTO DE AGUA (RET. DE CONDENSADO Y RECALENTAMIENTO)...... 39 RESERVA MÍNIMA DE AGUA........................................................................................................ 39 CÁLCULO DE RESERVA MÍNIMA DE AGUA ................................................................ 39 SISTEMAS RECEPTORES DE CONDENSADO ........................................................................... 40 SISTEMA ABIERTO O ATMOSFÉRICO ......................................................................... 40 DEAEREADOR (DA) ........................................................................................................ 41 TANQUE RECEPTOR SEMI-CERRADO (SCR) ............................................................. 42 LAYOUT DEL EQUIPO PARA PATINES DE TANQUE RECEPTOR DE CONDENSADOS....... 43 PERIFÉRICOS DEL TANQUE DE ALMACENAMIENTO DE AGUA (CONDENSADOS)............ 44 BOMBA DE REFUERZO .................................................................................................. 44 BOMBA DE TRANSFERENCIA (PARA TANQUE DE AGUA)....................................... 45 BOMBA DOSIFICADORA ................................................................................................ 46 VÁLVULAS REGULADORAS DE PRESIÓN .................................................................. 46 VÁLVULA DE ALIVIO....................................................................................................... 47 VÁLVULA CHECK............................................................................................................ 47 TUBO INDUCTOR ............................................................................................................ 47 CONTROL DE NIVEL DE AGUA ..................................................................................... 48 TRAMPA DE VAPOR PARA SISTEMA SCR .................................................................. 50 VENTEO PARA SISTEMA SCR....................................................................................... 50 TANQUE DE REPOSICIÓN PARA SISTEMA SCR ........................................................ 50
TRATAMIENTO QUÍMICO ............................................................................................... 51 TRAMPA SEPARADORA ................................................................................................ 51 VÁLVULA DE PURGA CONTINUA ................................................................................. 52 VÁLVULA TERMOSTÁTICA............................................................................................ 52 CONTROL AUTOMÁTICO DE TDS................................................................................. 52 DETERMINACIÓN DE CARGAS DE CONDENSADOS............................................................. 52 CÁLCULO DE RETORNO DE CONDENSADOS............................................................ 53 EFICIENCIA EN FUNCIÓN DEL DIFERENCIAL DE TEMPERATURA, PARA GENERADORES DE AGUA CALIENTE ............................................................................ 54 TANQUE DE “FLASHEO” ............................................................................................................................ 59 UTILIZACIÓN DEL VAPOR FLASH............................................................................................... 60 TANQUES DE “FLASHEO” INSTALADOS DONDE LA DESCARGA DE VENTEO ESTÁ DENTRO DE UN ESPACIO RESTRINGIDO Y DONDE EL CONDENSADO DEBE SER ENFRIADO POR DEBAJO DEL PUNTO DE ROCÍO .................................................................... 60 DISEÑO DE UN TANQUE FLASH ................................................................................................. 61 CÁLCULO DE LAS DIMENSIONES DEL TANQUE FLASH......................................................... 63 CÁLCULO DEL TAMAÑO DE LA LÍNEA DE VENTEO ................................................................ 63 CÁLCULO DEL TAMAÑO DE LA LÍNEA DE CONEXIÓN PARA EL USO DEL VAPOR FLASH ............................................................................................. 63 CÁLCULO DE LA CANTIDAD DE AGUA DE ENFRIAMEINTO REQUERIDA PARA ENFRIAR EL CONDENSADO EN UN TANQUE FLASH VENTEADO DENTRO DE UN LOCAL CERRADO .......................................................... 64 TANQUE DE PURGAS.................................................................................................................................. 65 SISTEMA(S) DE PURGA ................................................................................................................ 66
IV CUARTO DE MÁQUINAS GENERALIDADES ........................................................................................................................................ 71 DIMENSIONES DEL CUARTO DE MÁQUINAS .......................................................................................... 71 RECOMENDACIONES MÍNIMAS DE ESPACIO ........................................................................... 71 ALTURA .......................................................................................................................................... 71 ASENTAMIENTO DEL EQUIPO ................................................................................................................... 71 LAYOUT DEL EQUIPO Y DIMENSIONES..................................................................................... 74 VENTILACIÓN EN EL CUARTO DE MÁQUINAS........................................................................................ 82 VENTILACIÓN FORZADA.............................................................................................................. 82 CÁLCULO DEL ÁREA DEL DUCTO DE SUMINISTRO DE AIRE AL CUARTO DE MÁQUINAS ................................................................................................ 83 CHIMENEAS .................................................................................................................................................. 84 RAMAL DE CHIMENEA.................................................................................................................. 88 SUSTANCIAS QUÍMICAS QUE PUEDEN CAUSAR RIESGO DE INCENDIO EN EL CUARTO DE MÁQUINAS ................................................................................................................. 88 CLAVES UTILIZADAS EN LA TABLA DE RIESGO DE INCENDIO ............................................ 88 RIESGOS DE LOS PRODUCTOS QUÍMICOS .............................................................................. 89 T = TOXICIDAD DE LOS PRODUCTOS DE COMBUSTIÓN.......................................... 89 I = INFLAMABILIDAD Y EXTINCIÓN .............................................................................. 89 R = REACTIVIDAD ........................................................................................................... 90
V INSTALACIONES GENERALIDADES ........................................................................................................................................ 93 CONEXIONES PARA EL GENERADOR DE VAPOR.................................................................................. 93 CONEXIONES PARA EL TRATAMIENTO DE AGUA DE ALIMENTACIÓN.............................................. 94 SISTEMA ABIERTO........................................................................................................................ 95 DEAREADOR .................................................................................................................................. 96 SEMI-CERRADO............................................................................................................................. 98 TRAMPA DE VAPOR SEPARADORA ......................................................................................................... 98
INSTALACIÓN ............................................................................................................................................... 98 GENERALIDADES ........................................................................................................................................ 98 VENTEO DE LA TRAMPA SEPARADORA ................................................................................................. 98 LÍNEA DE SUMINISTRO DEL TANQUE RECEPTOR................................................................................. 99 SISTEMA DE COMBUSTIBLE....................................................................................................................103 GENERALIDADES........................................................................................................................103 GAS NATURAL ..............................................................................................................103 SUMINISTRO DE COMBUSTIBLE EN FORMA DE VAPOR........................................103 DIESEL ..........................................................................................................................................105 GENERALIDADES .........................................................................................................105 TANQUE DE ALMACENAMIENTO ...............................................................................105 BOMBAS DE TRANSFERENCIA ..................................................................................105 LÍNEA DE SUMINISTRO Y DE RETORNO ...................................................................106 INFORMACIÓN SUPLEMENTARIA ..............................................................................108 COMBUSTÓLEO (Modelos E-154 a E-504)................................................................................108 INFORMACIÓN GENERAL ............................................................................................108 EQUIPO DE PRECALENTAMIENTO DE COMBUSTIBLE .........................................................109 TANQUE DE ALMACENAMIENTO..............................................................................................109 CALENTADOR DE INMERSIÓN ELÉCTRICO ............................................................................109 ESCAPE DE LA CHIMENEA ........................................................................................................109 TUBERÍA......................................................................................................................................................116 GENERALIDADES........................................................................................................................116 LÍNEA DE DISTRIBUCIÓN DE VAPOR.......................................................................................116 GENERALIDADES .........................................................................................................116 PRESIÓN DE TRABAJO .................................................................................117 CÁLCULO DE TUBERÍAS DE VAPOR........................................................................................118 DIMENSIONADO DE TUBERÍAS SEGÚN VELOCIDAD DE VAPOR..........................119 DIMENSIONADO DE TUBERÍAS SEGÚN CAÍDA DE PRESIÓN ................................119 DIMENSIONADO DE TUBERÍAS MÁS LARGAS Y DE DIÁMETRO MAYOR ............120 LÍNEA DE DISTRIBUCIÓN Y PURGA .........................................................................................125 GOLPE DE ARIETE........................................................................................................125 MÉTODO DE CALENTAMIENTO EN TUBERÍAS ........................................................126 CALENTAMIENTO SUPERVISADO ...............................................................127 CALENTAMIENTO ABIERTO .........................................................................127 PIERNAS COLECTORAS ..............................................................................................128 TRAMPA DE VAPOR .....................................................................................................129 TIPOS DE TRAMPAS ......................................................................................129 SELECCIÓN DEL TIPO Y TAMAÑO DE TRAMPAS DE VAPOR..................131 DETERMINACIÓN DE LAS DIMENSIONES DE TRAMPAS Y PIERNAS COLECTORAS NECESARIAS PARA EL DRENADO EFICIENTE DE TUBERÍAS PRINCIPALES DE VAPOR .........................................................135 AHORRO DE ENERGÍA EN SISTEMAS DE VAPOR.....................................137 FILTROS .........................................................................................................................141 VÁLVULA DE SEGURIDAD...........................................................................................142 CÓMO ACTÚA LA VÁLVULA DE SEGURIDAD ............................................142 MÉTODO PARA VERIFICAR LA MÁXIMA SALIDA DE VAPOR EN kg/h DE UNA VÁLVULA DE SEGURIDAD...........................142 VÁLVULA DE PRUEBA ATMOSFÉRICA .....................................................................144 LÍNEA DE RETORNO DE CONDENSADO..................................................................................144 CÁLCULO DE LA LÍNEA EXISTENTE ..........................................................................144 DIMENSIONADO DE LÍNEA DE RETORNO DE CONDENSADO ...............................145 DILATACIÓN Y SOPORTE DE TUBERÍAS.................................................................................148 FLEXIBILIDAD DE LA TUBERÍA...................................................................................151 ACCESORIOS DE DILATACIÓN...................................................................................153 DISTANCIA ENTRE SOPORTES DE TUBERÍAS.........................................................155 ELIMINACIÓN DE AIRE .................................................................................................157 MATERIAL EMPLEADO POR COMPONENTE EN TUBERÍAS .................................................157 PÉRDIDAS DE CALOR EN TUBERÍAS.......................................................................................159 PÉRDIDAS DE CALOR EN TUBERÍAS DESCUBIERTAS ..........................................159 FIBRA DE VIDRIO BLANCA O COLCHONETAS ARMADAS ......................160 AISLAMIENTOS RÍGIDOS Y SEMIRÍGIDOS..................................................161 PÉRDIDAS DE CALOR EN ACCESORIOS DE TUBERÍAS.........................................162 FÓRMULAS PARA EL CÁLCULO DEL AISLAMIENTO..............................................163 CORROSIÓN .................................................................................................................................163 QUÉ ES EL PAR GALVÁNICO ....................................................................................................165 ELÉCTRICOS .........................................................................................................................................167 ABASTECIMIENTO DE ENERGÍA ELÉCTRICA.........................................................................167
VI APLICACIONES TÍPICAS SELECCIONADAS MANUFACTURA DE PAPEL ......................................................................................................................169 MANUFATURA DE TEXTILES ...................................................................................................................173 MANUFATURA DE PRODUCTOS QUÍMICOS ..........................................................................................175 MANUFATURA DE ALIMENTOS Y BEBIDAS ..........................................................................................177 SERVICIOS MÉDICOS Y SANITARIOS .....................................................................................................185 INDUSTRIA DE LA CONSTRUCCIÓN .......................................................................................................187 SERVICIOS DE RECREACIÓN ..................................................................................................................189 SECTOR HOTELERO .................................................................................................................................191 ESTIMACIÓN DE LOS REQUERIMIENTOS DE VAPOR DE DIFERENTES PROCESOS Y EQUIPOS ............................................................................................................................192
VII TABLAS E INFORMACIÓN DE VALORES Y REFERENCIAS USO CORRECTO DEL SISTEMA DE UNIDADES (reglas para el uso del sistema de medidas) .......................................................................................................197 TABLAS DE CONVERSIÓN DE UNIDADES (longitud, área, masa, volumen y capacidad, presión, volumen/caudal, potencia, energía, calor específico)..............202
DATOS IMPORTANTES SOBRE ALGUNAS CIUDADES DE LA REPÚBLICA MEXICANA (estado, altura S.N.M., presión barométrica, temp. máxima en verano, temp. mínima en invierno) ...........................203
PROPIEDADES DE ALGUNOS MATERIALES (SÓLIDOS, LÍQUIDOS, GASES) (material, peso específico, calor específico, punto de fusión) ...............................................................................205 PROPIEDADES DE ALGUNOS MATERIALES (VARIOS) (material, peso específico, calor específico, punto de fusión) ...............................................................................207
PROPIEDADES DEL AGUA (temperatura, peso específico, densidad, viscosidad dinámica, viscosidad cinemática) ..........................................208
PROPIEDADES DE LOS LÍQUIDOS COMUNES (gravedad específica, peso específico, densidad, viscosidad dinámica) ................................................................208
CONDUCTIVIDAD TÉRMICA DE ALGUNOS MATERIALES (material, temperatura, conductividad térmica, K) ................................................................................................209 PODER CALORÍFICO DE ALGUNOS MATERIALES (material, poder calorífico) ................................................................................................................................210
COMBUSTIBLES, POTENCIA CALORÍFICA Y CANTIDAD DE AIRE NECESARIA PARA SU COMBUSTIÓN (combustible, kg aire/kg combustible, poder calorífico) ........................................................................................213 DIMENSIONES DE TUBOS DE ACERO, CALIBRE 40 (tamaño nominal de la tubería, grosor de la pared, diámetro interior, área de flujo) ................................................214
DIMENSIONES DE TUBERÍA DE COBRE TIPO L (diámetro nominal, diámetro exterior, diámetro efectivo, espesor de pared) ...........................................................214
VISCOSIDADES CINEMÁTICAS DE CIERTOS GASES Y LÍQUIDOS (viscosidad cinemática, temperatura) .................................................................................................................215
PÉRDIDAS DE CARGA (según la ecuación de Darcy-Weisbach) ............................................................................................................216
DIAGRAMA DE MOODY (factor de fricción vs. Número de Reynolds vs. Rugosidad relativa) ......................................................................216
RUGOSIDAD ABSOLUTA DE DIFERENTES MATERIALES (material, rugosidad) ........................................................................................................................................217
COEFICIENTE DE RESISTENCIA DE UNA VÁLVULA ............................................................................217 FACTOR DE FRICCIÓN EN ZONA DE TUBERÍA COMPLETA PARA CONDUCTOS DE ACERO COMERCIAL NUEVO Y LIMPIO (tamaño del conducto nominal, factor de fricción) ...............................................................................................217 RESISTENCIA EN VÁLVULAS Y JUNTURAS EXPRESADA COMO LONGITUD EQUIVALENTE EN DIÁMETROS DE CONDUCTO, L3/D (tipo de válvula, longitud equivalente en diámetros de conducto) ..........................................................................218 COEFICIENTES TOTALES (U), DE TRANSFERENCIA DE CALOR PARA VARIAS APLICACIONES (carga, transferencia de calor)...........................................................................................................................219 GOLPE DE ARIETE.....................................................................................................................................219 DIAGRAMA DE GOLPE DE ARIETE (velocidad del líquido, incremento de presión, línea de eje, longitud equivalente) ...................................................220
RESISTENCIA DE VÁLVULAS Y ACCESORIOS DE TUBERÍA AL PASO DE FLUIDOS......................221 TRÁMITES LEGALES PARA LA INSTALACIÓN DE GENERADORES DE VAPOR Y GENERADORES DE AGUA CALIENTE EN LA REPÚBLICA MEXICANA..........................................223 CÓDIGO ASME, SECCIONES I, IIA, IIB, IIC, IID, IV, VIII Y IX, REFERENTES A RECIPIENTES SUJETOS A PRESIÓN .........................................................................224 NOM-020-STPS-2002, RECIPIENTES SUJETOS A PRESIÓN Y CALDERAS – FUNCIONAMIENTO – CONDICIONES DE SEGURIDAD (Fecha en que entra en vigor: 28-08-2002, para mayor información sobre la vigencia de la norma refiérase a: http://www.economia-noms.gob.mx) .................................................................................................................225
NOM-085-ECOL-1994, CONTAMINACIÓN ATMOSFÉRICA – FUENTES FIJAS Para fuentes fijas que utilizan combustibles fósiles sólidos, líquidos o gaseosos o cualquiera de sus combinaciones, que establece los niveles máximos permisibles de emisión a la atmósfera de humos, partículas suspendidas totales, bióxido de azufre y óxidos de nitrógeno y los requisitos y condiciones para la operación de los equipos de calentamiento indirecto de combustión, así como los niveles máximos permisibles de emisión de bióxido de azufre en los equipos de calentamiento directo por combustión. (Fecha en que entra en vigor: 10-11-1994, para mayor información sobre la vigencia de la norma refiérase a: http://www.economia-noms.gob.mx ..................................................................................................................247
NMX-B-194-1996 – INDUSTRIA SIDERÚRGICA – TUBOS DE ACERO DE ALEACIONES – FERRÍTICAS Y AUSTENÍTICAS, SIN COSTURA PARA CALDERAS, SOBRECALENTADOTES E INTERCAMBIADORES DE CALOR – ESPECIFICACIONES (Fecha en que entra en vigor: 06-03-1997, para mayor información sobre la vigencia de la norma refiérase a: http://cronos.cta.com.mx/cgi-bin/normas.sh/normasmx/cgis/despliega.p?convar=NMX-B-194-1996-SCFI ................271
NOM-011-STPS-2001, CONDICIONES DE SEGURIDAD E HIGIENE EN LOS CENTROS DE TRABAJO DONDE SE GENERE RUIDO (Fecha en que entra en vigor: 17-06-2002, para mayor información sobre la vigencia de la norma refiérase a: http://cronos.cta.com.mx/cgi-bin/normas.sh/cgis/despliega2.p?convar=NOM-011-STPS-2001 ................................293
NORMATIVA ESPAÑOLA Y EXTRANJERA PARA RECIPIENTES SUJETOS A PRESIÓN .................317 (las fechas en las que entra en vigor cada norma varían, refiérase a la página 337)
Capítulo I
Generador de Vapor/Agua Caliente
PRINCIPIOS TEÓRICOS QUÉ ES EL VAPOR El vapor es un estado de la materia en el que las moléculas apenas interaccionan entre sí, adoptando la forma del recipiente que lo contiene y tendiendo a expandirse todo lo posible, incluso venciendo fuerzas gravitatorias. También se le conoce como fluido ya que se desplaza por el medio ambiente muy fácil. La diferencia entre gas y vapor radica en el hecho de que el vapor es aquél gas que se puede condensar por presurización a temperatura constante, llamando gas a lo que no puede condensarse isotérmicamente por mucho que se aumente la presión. Normalmente la palabra vapor suele referirse al vapor de agua, gas que se produce cuando el agua se calienta a 100 ºC y una atmósfera de presión.
CÓMO SE FORMA EL VAPOR Utilizando como punto de referencia el contenido de energía calorífica, o entalpía, de 1 kg de agua a presión atmosférica, y a la temperatura de fusión del hielo, 0°C. Tomando esto como cero, y añadiendo calor a este kg de agua, su temperatura empezará a elevarse hasta alcanzar 100°C. A partir de este instante, no subirá más la temperatura y todo el calor que reciba el agua se utilizará únicamente en cambiar de estado (líquido a vapor), hasta que el kg de agua se haya evaporado en su totalidad. Todo el calor agregado para llevar el agua de 0°C a su punto de ebullición, se conoce como calor sensible y se simboliza por hf. La energía calorífica extra para llevar a cabo el cambio de fase se denomina calor latente (entalpía específica de evaporación) y se simboliza por hfg. La energía calorífica o entalpía total en cada kilogramo de vapor es la suma de los dos términos anteriores y se denomina “entalpía específica del vapor” o “calor total”.
FIGURA 1-1
VAPOR COMO FLUIDO DE TRABAJO El vapor es utilizado en miles de industrias, sin él no sería posible generar la energía eléctrica que consumimos, ni tampoco la preparación de medicamentos y productos alimenticios y de uso común, pero cabe hacerse la siguiente pregunta ¿por qué es tan extenso su uso en la actualidad?, y otra ¿por qué no utilizar otro medio de energía?, la respuesta es sencilla:
1
Principios Teóricos y de Cálculo
Capítulo I
Se utiliza vapor simplemente porque existen tres necesidades fundamentales a la vez: 1. Existe la necesidad de calor y temperatura en el mismo proceso y el vapor es la forma más económica de realizarlo. 2. El vapor puede controlarse cómoda y fácilmente por su naturaleza de circulación, debido a que este fluye de una zona de alta presión a una de menor presión sin necesidad de otro elemento. 3. El vapor es fácil de producir ya que se obtiene del agua y además puede ser reutilizable. Debido a estas cualidades, se pueden encontrar seis aplicaciones generales del vapor a nivel Industrial, las cuales se muestran en la Tabla No. 1. Cada una de estas aplicaciones tiene un elemento final de consumo de vapor para poder utilizarlo en los procesos, siendo los más utilizados: Serpentines, Marmitas, Autoclaves, Intercambiadores de Calor, Boquillas de Inyección, etc. APLICACIÓN
EJEMPLOS
Calefacción
Se puede utilizar vapor para calentar agua, soluciones químicas, pastas, aceites, etc.
Cocción
Se utiliza para cocer alimentos, en general.
Evaporación
Utilizado para evaporar disoluciones químicas, esterilizado de material quirúrgico, etc.
Secado
Utilizado para secar telas y tintas, así como para calefacción en aire acondicionado y procesos de humidificación.
Procesos de Conformado
Utilizado para el curado de concreto y conformación de Asientos para vehículos.
Movimiento
Como el utilizado para mover turbinas en CFE y barcos en sectores navales.
TABLA 1. APLICACIONES GENERALES DEL VAPOR
Después de utilizar el vapor en el proceso, éste pierde calor (energía) y se vuelve a transformar en agua a una alta temperatura, la cual se llama condensado, esta agua puede ser reutilizada para volverla a transformar en vapor, lo cual dependerá directamente del sistema de vapor al que se aplique.
GENERACIÓN DE VAPOR CONCEPTO DE GENERADOR DE VAPOR Para poder generar vapor a una escala mayor, es necesario contar con un sistema que sea capaz de almacenar el agua que se ha de transformar en vapor, una fuente de calor que pueda elevar su temperatura hasta su punto de evaporación, una superficie metálica que pueda transferir el calor al agua y una zona destinada al almacenamiento del vapor generado; todo al mismo tiempo. A estos sistemas se les conoce con el nombre de Generadores de Vapor, conocidos comúnmente y equivocadamente con el nombre de Calderas, los cuales podemos definir de la siguiente forma: Se entiende por generador de vapor a aquella máquina que transforma el agua en vapor aprovechando el calor generado por la combustión de un material combustible, para producir energía para procesos o dispositivos de calentamiento; o agua caliente para calefacción o para uso
2
Capítulo I
Generador de Vapor/Agua Caliente
general, a través de un intercambio de temperatura, teniendo como característica principal ser un recipiente cerrado sujeto a una presión mayor que la atmosférica. En la definición técnica escueta, se comprende como caldera únicamente el cuerpo que forma el recipiente y las superficies de calefacción por convección. Con la aparición de las paredes enfriadas por agua para la cámara de combustión, sobrecalentadores, calentadores, calentadores de aire y economizadores, se creó el término “generador de vapor”, para dar al equipo una denominación más apropiada.
TIPOS DE GENERADORES DE VAPOR Los Generadores de Vapor se catalogan según: • Aplicación. • Diseño. La aplicación de un Generador de Vapor varía de acuerdo con la naturaleza del servicio que presta. Este servicio puede ser de forma estacionaria o móvil. Las condiciones de presión y temperatura a las que trabaja cada máquina son las requeridas por cada proceso. Con la idea de obtener vapor más rápida y eficientemente, es que el diseño de los tubos (fluxes) de un Generador de Vapor se ha ido modificando con el tiempo.
CLASIFICACIÓN DE LOS GENERADORES DE VAPOR POR SU APLICACIÓN Teniendo en cuenta su aplicación, los generadores de vapor se clasifican a su vez en los siguientes grupos esenciales: • Para usos domésticos. • Para generación de energía en plantas termoeléctricas. • Para plantas de cogeneración. • Para aplicaciones marinas en barcos. • Para generación de energía en plantas terrestres. • Uso Industrial. Las características particulares en cada uno de estos grupos, son las siguientes: GENERADORES DE VAPOR PARA USOS DOMÉSTICOS: Se utilizan para la calefacción doméstica, bien individual, o comunitaria de pequeño tamaño. Son de pequeñas potencias. GENERADORES DE VAPOR DE GENERACIÓN DE ENERGÍA PARA PLANTAS TERMOELÉCTRICAS: Se utilizan para la generación de vapor sobrecalentado a altas presiones, como fluido motriz de grupos turboalternadores, para generar energía eléctrica. Son de grandes potencias. GENERADORES DE VAPOR PARA PLANTAS DE COGENERACIÓN: Utilizan los gases calientes del escape de turbinas de gas, o de motores de combustión interna para que, circulando a través de ellas, cedan su calor para generar un fluido térmico que se transporta hasta un consumidor, donde cede su energía, que como el caso anterior puede ser vapor sobre-calentado. Son generadores de vapor de recuperación, generalmente de grandes potencias.
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Principios Teóricos y de Cálculo
Capítulo I
GENERADORES DE VAPOR PARA APLICACIONES MARINAS EN BARCOS: Se instalan en los barcos como generadores de su vapor motriz. Los generadores de vapor marinos no son muy diferentes de las terrestres, si bien, se instalan hoy día en barcos en muy pocas ocasiones. GENERADORES DE VAPOR PARA EN PLANTAS INDUSTRIALES: Generan vapor para consumo interior propio de una fábrica. Su instalación es estática y ciertamente terrestre y sus aplicaciones específicas son, fundamentalmente, las siguientes: • Generación de agua caliente para calefacción industrial y aplicaciones directas en procesos de producción. • Generación de vapor para aplicaciones directas en procesos de producción. • En algunas aplicaciones puntuales, el vapor generado a alta presión es sobrecalentado y primeramente se le utiliza para producir energía eléctrica propia accionando un grupo turboalternador y utilizando el vapor de contrapresión a su salida para las aplicaciones directas en los procesos de producción. CLASIFICACIÓN DE LOS GENERADORES DE VAPOR POR SU DISEÑO Teniendo en cuenta el diseño, los generadores de vapor para generación en plantas industriales, se clasifican en dos grandes grupos: • Pirotubulares, o de tubos de humo. • Acuotubulares, o de tubos de agua. GENERADORES PIROTUBULARES O DE TUBOS DE HUMO Se caracterizan porque la flama de la combustión se forma dentro del hogar del generador de vapor, pasando los gases de combustión generados por el interior de los tubos de los pasos siguientes (normalmente dos o tres), para ser conducidos a la chimenea de evacuación. De ello, su otro nombre de generadores de vapor de tubos de humo. En estos generadores, tanto el hogar, como los tubos de humo, están en el interior del anillo y completamente rodeados de agua. De ello, su otro nombre, poco usual, de generadores de vapor de hogar interior. FIGURA 2-1: GENERADOR DE VAPOR PIROTUBULAR DE TRES PASOS, CON HOGAR ONDULADO (SECCIÓN LONGITUDINAL)
Para generar vapor, se regula el nivel del agua en su interior, de forma que varíe dentro de una banda prevista, sirviendo su cámara superior de separador del vapor generado, desde donde sale al consumo por la tubería de salida.
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Capítulo I
Generador de Vapor/Agua Caliente
Para generar agua sobrecalentada, el generador de vapor está completamente inundado, siendo iguales los conductos de entrada y salida de agua. Los generadores para formar fluido térmico, son similares a los de generación de agua sobrecalentada, pero más simples en su construcción. Los generadores de tubos de humo se usan generalmente en donde la demanda de vapor es relativamente reducida (comparada con la demanda de las grandes centrales termoeléctricas). Los generadores de tubos de humo tienen limitaciones en cuanto a su tamaño a la adaptabilidad de su diseño ya que ocupan grandes espacios. Debido a su gran volumen de agua, el tiempo que necesitan para alcanzar su presión de trabajo, partiendo de un arranque en frío, es mucho mayor que el requerido por un generador acuatubular. Los generadores de tubos de hubo se distinguen a su vez por el diseño de “dry back” y “wet back”
DRY BACK La parte débil de una caldera de tubos de humo convencional, se encuentra al final de la cámara de combustión, después del hogar de la caldera, ya que los gases de combustión, al ser desviados chocan con esta sección, la cual está compuesta por el marco refractario y la tapa trasera. Dicha sección, está cubierta con material refractario y aislante, el cual al estar en contacto con temperaturas extremas (apagado y encendido de la caldera), se ve dañado, agrietándose. Este material tiene una vida útil normalmente corta y su duración disminuye a medida que aumenta la capacidad de la caldera, ya que las dimensiones de la cámara de retorno y de la tapa trasera también aumentan. Tapa Posterior de una Caldera Convencional donde se muestra el Refractario
Las consecuencias de lo anterior, como ya se mencionó, son el deterioro del refractario, permitiendo la fuga de calor en forma radiante; también, a menudo se encuentra que la lámina sufre estrés precisamente por cambio de temperatura. Debido a ésta situación, el refractario y el sello de la puerta requerirán del monitoreo continuo, mantenimiento y reemplazo, costando esto, cientos de pesos en materiales y servicio especializado para alargar la vida de la máquina. Además, las fugas por refractario y sello fracturados disminuirán la eficiencia de la caldera hasta que pueda llevarse a cabo la reparación. Cuando la caldera está diseñada de éste modo (Figura 1), se le llama dry back. FIGURA 3-1. CALDERA ECONOMIZADORA (DOS PASOS, DRY BACK)
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Principios Teóricos y de Cálculo
Capítulo I
WET BACK Para resolver toda esta situación, los fabricantes de calderas han modificado el diseño de las mismas, creando lo que se conoce como wet back o parte posterior húmeda (Figura 2).
FIGURA 4-1. DISEÑO WET BACK
En este diseño, al final de la cámara de desvío, se agrega una pared de agua, la cual al estar en contacto con los gases de combustión, disminuye la pérdida de calor en forma de radiación hacia el exterior; del mismo modo disminuye el estrés térmico del material refractario (Figura 3).
FIGURA 5-1. CALDERA ECONOMIZADORA (TRES PASOS, WET BACK)
GENERADORES DE VAPOR ACUATUBULARES O DE TUBOS DE AGUA Se caracterizan porque la flama de los quemadores se forma dentro de un recinto formado por paredes tubulares en todo su entorno, que configuran la llamada cámara de combustión u hogar, pasando los gases de combustión generados por el interior de los pasos siguientes, cuyos sucesivos recintos están también formados por paredes tubulares en su mayoría. La cualidad que diferencia a estos generadores de vapor es, que todos los tubos que integran su cuerpo, están llenos de agua o, al menos, llenos de mezcla agua-vapor en los tubos hervidores, en los que se transforma parte de agua en vapor cuando generan vapor como fluido final de consumo. Estos generadores pueden generar tanto vapor, como agua sobrecalentada.
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Capítulo I
Generador de Vapor/Agua Caliente
Debido a las menores dimensiones de sus elementos componentes, y su facilidad de contrarrestar los efectos de la expansión, el generador acuatubular es más conveniente para las grandes capacidades y mayores presiones dentro de la correlativa seguridad de su diseño. El costo inicial de un generador acuatubular pequeño, es más alto que el del tamaño equivalente de tubos de humo, sin embargo, la mayor eficiencia compensará eventualmente este costo inicial. En las industrias donde la demanda de vapor es muy grande, se amortiza muy pronto el alto costo inicial de los sobrecalentadores y economizadores. El Generador de Vapor Clayton cae dentro de este tipo. Sus características, funcionamiento y cualidades son el tema de interés del presente manual y se desarrollarán a continuación.
GENERADOR DE VAPOR CLAYTON FUNCIONAMIENTO GENERAL El Generador de Vapor Clayton es una caldera de circulación forzada, monotubular, que utiliza un intercambiador de calor en forma de serpentín helicoidal espiral construido con tubo de acero. Su bomba de agua está diseñada para trabajo pesado sin empaques ni juntas sujetas a fugas, es de desplazamiento positivo. Cuando el Generador de Vapor opera, la bomba suministra agua suave1 constantemente al intercambiador de serpentín helicoidal, donde el calor es trasmitido de los productos de la combustión al agua de alimentación - un factor que contribuye a incrementar la eficiencia de los Generadores de Vapor Clayton. Un separador mecánico a la salida del serpentín intercambiador realiza una separación efectiva del líquido y vapor para asegurar vapor de alta calidad (99.5%). El condensado es colectado en la trampa de vapor anexa al separador y enviado de vuelta al tanque de retorno de condensado, para ser enviado de vuelta a la bomba de agua. Un hecho muy significativo es que los Generadores de Vapor Clayton no requieren de un gran recipiente lleno de agua, este hecho conlleva a las muchas ventajas que ofrece el equipo Clayton.
FIGURA 6-1. GENERADOR DE VAPOR CLAYTON, TUBOS DE AGUA 1
El agua de alimentación es sometida a un tratamiento químico para suavizarla. Este tema será tratado en el siguiente capítulo.
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Principios Teóricos y de Cálculo
Capítulo I
COMPONENTES BÁSICOS DEL GENERADOR DE VAPOR CLAYTON Los dispositivos principales que conforman un Generador de Vapor Clayton son: • Bomba de Agua • Unidad de Calentamiento (Serpentín) • Separador de Vapor • Trampa de Vapor A continuación, se describirán los elementos esenciales que forman parte de los dispositivos y equipos de control.
BOMBA DE AGUA La Bomba de Agua de Alimentación Clayton del tipo de diafragma de desplazamiento positivo, está diseñada para suministrar el volumen requerido de agua al intercambiador de calor y mantenerlo totalmente lleno bajo todas las condiciones de carga. Esto asegurará que la temperatura de la pared de la unidad de calentamiento se mantenga a aproximadamente la misma temperatura que la temperatura del vapor saturado a esa presión. La Bomba de Agua es impulsada libremente por un motor eléctrico a través de bandas. Los diafragmas de la bomba operan hidráulicamente por el aceite desplazado por la acción reciprocante de los pistones dentro de la Bomba.
Cada golpe del pistón, desplaza agua hacia el lado de descarga del cabezal de la válvula check para alimentar al serpentín de calentamiento. Los cabezales de las válvulas check contienen asientos, discos y resortes resistentes a la corrosión. Columnas tubulares (tubos columna) separan los cabezales de la válvula check de las cabezas de la bomba para evitar un exceso de temperatura en los diafragmas. En sistemas de alta presión y sistemas semi-cerrados, se utiliza una bomba con cabezas enchaquetadas, por donde circula agua de enfriamiento cuando la Unidad está en operación. Amortiguadores de descarga absorben las pulsaciones de la presión para estabilizar la descarga de agua. El amortiguador de succión en la succión de la bomba ayuda a estabilizar el suministro de agua. Una válvula de alivio protege a la bomba contra sobrepresión. Actualmente, en todas las unidades la Bomba de Agua está montada externamente en su propio patín, para evitar ruido y vibración. La bomba es manejada independientemente por una banda en un motor eléctrico de CA y controlada por un variador de velocidad que responde a la carga de vapor. FIGURA 7-1
El tamaño del motor variará proporcionalmente a los BHP requeridos y a la presión de operación.
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Capítulo I
Generador de Vapor/Agua Caliente
UNIDAD DE CALENTAMIENTO (SERPENTÍN/INTERCAMBIADOR DE CALOR) La función principal de la Unidad de Calentamiento es servir como superficie de calefacción y al mismo tiempo de recipiente de almacenamiento para el agua que va a ser transformada en vapor. La unidad de calentamiento Clayton consiste de un tubo continuo (principio monotubular) de acero al carbón sin costura, que se ensambla en dos partes fundamentales; cada una de ellas tiene diámetros calibrados que van incrementando su volumen interno a fin de permitir la expansión del vapor que se generará en su interior. En dicha unidad, el calor es transferido de los gases de combustión al agua suave vía el intercambiador de calor. El intercambiador de calor está elaborado con tubo de acero al carbón bajo el código ASME SA-178, sus características se dan a continuación. Sección Generadora, consiste de una serie de “pancakes”, los cuales comprenden dos o más espirales. El ensamble de las espirales que conforman esta sección, llamada “Sección Generadora”, se dispone de forma tal, que las separaciones entre cada vuelta de tubo quedan alternadas con respecto a la espiral inferior. Está disposición cambiará y dirigirá la trayectoria de los gases de combustión en forma de “zig-zag” con objeto de incrementar considerablemente la capacidad de transferencia de calor. En el centro y entre cada par de espirales se coloca cemento refractario, que evita la pérdida de calor y ayuda a dirigir todo el calor por los espacios de cada una de las espirales. En ésta sección es donde tiene lugar la transferencia de calor y la generación principal de vapor. Figura 5-1. Pared Inferior de Agua, es una envoltura exterior simple de la unidad de calentamiento que rodea a la cámara de combustión y sirve para proporcionar aislamiento térmico y evita la transferencia de calor adicional a la superficie (radiactiva o convectiva). El flujo de agua en el intercambiador es en dirección contraria al flujo de los gases (contraflujo). Éste diseño a contraflujo ayuda a proporcionar la óptima transferencia de calor y es uno de los factores que contribuye a la alta eficiencia del Generador de Vapor Clayton.
FIGURA 8-1. ENSAMBLE DE LA SECCIÓN GENERADORA
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Principios Teóricos y de Cálculo
Capítulo I
La bomba de agua trabaja al 120% de carga de la demanda de vapor, para asegurar que todas las secciones del intercambiador estén llenas de agua en todo momento para evitar obstrucciones por aire en el vapor. Esto ayuda a proporcionar una buena transferencia de calor y protege al intercambiador de sobrecalentamiento, el cual puede ocurrir de una condición de calor excedente.
SEPARADOR DE VAPOR La función principal del Separador de Vapor es realizar una separación mecánica del sobreflujo de agua que contiene el vapor descargado de la Unidad de Calentamiento mediante una Boquilla y una hélice fija. Al chocar el vapor contra la hélice se origina un movimiento centrífugo (giro) mediante el cual, las partículas de agua en suspensión pegan contra las paredes del recipiente y caen por gravedad al fondo del Separador. El agua separada se desaloja del Separador mediante la Trampa de Vapor del Tipo Mecánica de Cubeta Invertida y se regresa al tanque de condensados para volver a introducirse a la Unidad de Calentamiento. Este control positivo de separación evita el acarreo de líquido hacia las líneas de distribución de vapor y mantiene una humedad mínima en el vapor generado por el equipo. La calidad del vapor resultante será más de 99.5%.
Los accesorios típicos de un Separador de Vapor son: 1.
Válvula de Alivio
5.
Termómetro Digital
9.
Conjunto Separador
2.
Válvula Globo
6.
Chaqueta de Aislamiento
10.
Válvula Globo
3.
Trampa de Vapor
7.
Aislamiento Fibra de Vidrio
11.
Válvula Globo
4.
Válvula Globo
8.
Termostato Auxiliar
12.
Termómetro Digital
FIGURA 9-1. ACCESORIOS TÍPICOS DE UN SEPARADOR DE VAPOR
En la parte superior del separador se colocarán una o más válvulas de alivio. Este es un requisito del código que asegura que la presión de operación nunca exceda la presión de diseño del Generador.
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Capítulo I
Generador de Vapor/Agua Caliente
TRAMPA DE VAPOR El trabajo de una trampa de vapor es el sacar condensado, aire y CO2 del sistema tan rápido como sea posible, además de estas funciones debe tener una mínima perdida de vapor, evitar el desgaste rápido de las tuberías que conducen el vapor a fin de evitar corrosión por el CO2 que en combinación con el condensado que se ha enfriado a una temperatura menor que la del vapor, provoca ácido carbónico. La trampa de vapor usada en los Generadores de Vapor Clayton es la Trampa de Cubeta Invertida. El vapor que entra a la cubeta invertida y sumergida causa que ésta flote y cierre la válvula de descarga. El condensado que entra a la trampa hace a la cubeta más pesada ocasionando que se hunda y permita abrir la válvula de descarga para dejar salir al condensado. Sólo cuando la cubeta se llena al nivel adecuado, el condensado es descargado al sistema de agua. Los sólidos disueltos serán arrastrados de vuelta al sistema de agua de alimentación, por la acción del trampeo. El material normal de construcción de la trampa de vapor es acero gris para presiones bajas (máximo 4 kg/cm2), y para presiones mayores (15 a 17 kg/cm2), la trampa debe ser de acero forjado. FIGURA 10-1. TRAMPA DE VAPOR
GENERADOR DE AGUA CALIENTE CLAYTON FUNDAMENTOS DE LOS SISTEMAS DE AGUA CALIENTE Del mismo modo que el Generador de Vapor, el Generador de Agua Caliente, está constituido por un intercambiador de calor de serpentín tubular por el cual circula de modo continuo el flujo de agua. Un Generador de Agua Caliente es muy similar a un Generador de Vapor, salvo que el primero al distribuir agua caliente, no requiere de elementos tales como la Trampa de Vapor y el Separador de Vapor, ya que no hay retorno de condensado. Así, el tanque de condensado, se sustituye por un tanque de almacenamiento de agua caliente y las purgas en las partes bajas del sistema, desaparecen. Debido a que la temperatura que alcanza el agua, no llega al punto de evaporación, la bomba de agua, pasa de ser del tipo de diafragma de desplazamiento positivo con amortiguadores de admisión y descarga, a una bomba centrífuga, la cual se encarga de mantener lleno el sistema. Como se mencionó con anterioridad, el agua no llega a convertirse en vapor y la presión que lleva es la que le imprime la bomba de agua, por lo que también se elimina el tratamiento de agua de alimentación2, esto porque el agua caliente no causa incrustación2, y en los casos muy especiales en los que la dureza2 de ésta es excesiva (dureza mucho mayor a 250 ppm; sólo aplica al caso de agua caliente), será necesario suavizar el agua de alimentación. Es posible que el agua de alimentación contenga sólidos disueltos incrustantes, los cuales son arrastrados por el flujo de agua caliente cuando ésta retorna al tanque de almacenamiento. Para eliminarlos, en el fondo del mismo se sitúa una válvula de drene. 2
Estos conceptos serán tratados en el capítulo siguiente.
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Principios Teóricos y de Cálculo
Capítulo I
FUNCIONAMIENTO GENERAL (Ver Figura 8-1). El agua fría entra al tanque de almacenamiento de agua caliente y de ahí alimenta a la bomba del Generador de Agua Caliente que bajo presión hace circular al agua por el interior de la unidad de calentamiento. El agua fluye en forma descendente de la parte superior a la inferior de la unidad a través de la sección espiral monotubular de la unidad circulando en una dirección contraria a la de los gases de combustión (principio de contraflujo). A medida que el agua fluye, es mandada directamente a un tanque de almacenamiento de agua para después, ser enviada a servicio. Antes de retornar al tanque, el agua caliente se mezcla con el agua fría que alimenta al sistema, sufriendo un aumento brusco de temperatura, esto estimulará la precipitación y separación de los sólidos incrustantes que se sedimentarán en el fondo del tanque y posteriormente puedan ser drenados periódicamente. En la operación normal del Generador de Agua Caliente, la unidad de calentamiento debe estar completamente llena. Para lograr esto la bomba centrífuga es la encargada de mantener un circuito constante tomando el agua de la parte superior del tanque de almacenamiento para circularla a través de la unidad y luego retornarla por la parte inferior del mismo tanque.
COMPONENTES BÁSICOS DEL GENERADOR DE AGUA CALIENTE Los dispositivos principales que conforman un Generador de Agua Caliente Clayton son: • Bomba de Agua (centrífuga). • Unidad de Calentamiento (Serpentín) Cada uno de estos dispositivos es igual a los empleados en el Generador de Vapor, a excepción de la Bomba de Agua. (Vea Figura 9-1).
FIGURA 11-1. DIAGRAMA DE FLUJO DE AGUA Y COMBUSTIBLE EN EL GENERADOR DE AGUA CALIENTE
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Capítulo I
Generador de Vapor/Agua Caliente
1. 2. 3. 4. 5. 6. 7.
Bomba de agua Rondana de Hule Charola para Amortiguador Base de la Motobomba Ensamblada Tubo de Alimentación Manómetro Válvula de Ángulo
FIGURA 12-1. BOMBA DE AGUA CENTRÍFUGA
INSTALACIONES TÍPICAS DE GENERADORES DE AGUA CALIENTE SERVICIO TÍPICO DE AGUA CALIENTE El líquido se almacena en un tanque general que abastece las demandas fuertes o ligeras en el servicio. Una bomba controla el agua que circula en la línea, retornando el exceso al tanque de almacenamiento. El agua del tanque y de la línea de servicio se mantiene a su temperatura, por medio de controles de inmersión ajustables. Este sistema de calentamiento directo es ideal para hoteles, deportivos, baños públicos e industriales, condominios, clínicas, etc.
SISTEMA DE AIRE ACONDICIONADO Y SISTEMA DE AGUA SOBRECALENTADA El circuito usado para acondicionadores de aire, es un sistema cerrado en el cual, la aplicación de una caldera instantánea es ideal. Se usa un tanque de expansión para controlar los cambios repentinos en el volumen del agua que pudieran descompensar el sistema y una válvula de termoderivación. La presión de trabajo puede ser hasta de 7 kg/cm2 o más a solicitud.
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Principios Teóricos y de Cálculo
Capítulo I
CALENTAMIENTO A TRAVÉS DE UN INTERCAMBIADOR DE CALOR Para manejar aguas duras o corrosivas se utiliza un intercambiador de calor en circuito cerrado, evitando que el agua de los servicios se mezcle con la que calienta la caldera. En forma similar, se manejan las aguas de alberca ya que, el compuesto químico utilizado en la purificación del agua corroe el equipo.
INSTANTÁNEOS La sencillez y economía del sistema instantáneo resulta ideal para demandas que no excedan la capacidad máxima de la caldera. Su instalación es muy sencilla, sólo requiere de la conexión del agua de entrada y del agua de salida a los servicios.
GENERADOR DE VAPOR MODULANTE CLAYTON MODULACIÓN EN GENERADORES DE VAPOR Del mismo modo que la versión de encendido por pasos, el Generador de Vapor Clayton Modulante maximiza la transferencia de calor con un diseño de circulación forzada a contraflujo. La diferencia entre estos radica en que el primero trabaja sólo a dos fuegos (alto y bajo), y el segundo, modula entre el 20% y el 100% de carga (relación 5:1). Debido a estos controles de modulación, el sistema se hace más automatizado por lo que es necesario agregar controles de temperatura y presión para tener un mayor control del sistema de agua-vapor. Existen dos formas de modular. 1. Por Varillas. 2. Por Control de aire/combustible por Servomotores.
MODULACIÓN POR VARILLAS Tradicionalmente los quemadores usados en calderas industriales y comerciales, y calentadores de aire, operaban con un sistema mecánico de levas y varillas. Este sistema fue usado por muchos años, y si bien funcionaba, existía un número de ineficiencias asociadas a él. Éste tipo de modulación se realizaba por medio de un Motor Modulante, que permitía el ajuste del aire en los rates a los que trabaja la máquina. Este motor, al momento de ajustarse permitía abrir o cerrar la válvula de gas mediante la varilla de control. Ésta varilla estaba conectada al modutrol (motor modulante).
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Capítulo I
Generador de Vapor/Agua Caliente
Este sistema por sus características complicaba más la relación aire/combustible ya que a rates de 20, 40 y 60 %, tenía que realizarse un ajuste por cada uno de ellos, aflojando y apretando los tornillos de ajuste de cada varilla. En su momento tuvo gran aceptación y Clayton lo adoptó tanto para equipos en gas como en diesel. Luego, en un intento por mejorar la eficiencia de la combustión y reducir el costo de vida de los equipos, el sistema mecánico de levas y varillas es sustituido por el sistema sin este tipo de eslabonamientos para tener un control de la proporción aire/combustible. Es así como para el año 2005 se implementa la modulación por servomotores.
MODULACIÓN POR SERVOMOTORES El sistema de control sin varillas mecánicas proporciona el control de la relación aire/combustible a través del monitoreo de actuadores (servomotores), los cuales se conectan por separado para controlar los flujos de aire y combustible al quemador para mantener una óptima combustión. El actuador se encarga de mover la compuerta de aire, las válvulas de modulación de gas, de combustibles líquidos (tal como diesel) y las compuertas de recirculación de gases de combustión contando con una retroalimentación potenciométrica de alta precisión hacia el control de relación de aire/combustible, para entregar una indicación del posicionamiento o apertura de válvulas y compuertas con gran exactitud lo que permite seleccionar las diferentes posiciones para cada uno de los puntos que conformarán la curva de comportamiento de proporción aire/combustible; para así optimizar el rendimiento del quemador. Al sustituir el varillaje por motores independientes, tanto en las válvulas de combustible como en la compuerta del aire, se puede tener un mayor número de puntos de ajuste de proporción aire/combustible para cubrir los diferentes puntos de demanda, y no limitarse solamente a los puntos de ajuste con los que cuenta el sistema tradicional de varillaje en sus levas, como se puede ver en la siguiente gráfica, la curva roja o punteada es una curva generada con el sistema de varillas y la curva azul o continua es una curva generada con un sistema de Servomotores, en la cual se puede ver un mayor número de puntos de ajuste, que permiten una curva de comportamiento más precisa y eficiente, además se puede tener el punto de mínima modulación “m” por debajo del punto de encendido “L”.
Servomotores
Eliminando el varillaje, se evitan las pérdidas por descalibración causadas por el desgaste y el desajuste de las partes mecánicas que con el tiempo se van presentando, como se muestra a continuación en la curva punteada que está deteriorada por este efecto; reduciendo así el mantenimiento y calibraciones (como en la curva continua de Servomotores).
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Principios Teóricos y de Cálculo
Capítulo I
Esto puede mejorar la exactitud y resolución del sistema del quemador vs un sistema de combustión típico a través de mejoras en las emisiones de las calderas, reduciendo la emisión de contaminantes a la atmósfera, mayor transferencia de energía, mayor eficiencia y sobre todo ahorro en gastos de combustible.
COMPONENTES BÁSICOS DEL GENERADOR DE VAPOR MODULANTE CLAYTON Los dispositivos principales que conforman un Generador de Vapor Modulante Clayton son, al igual que el Generador de Vapor por Pasos Clayton: • Bomba de Agua • Unidad de Calentamiento (Serpentín) • Separador de Vapor • Trampa de Vapor Como se mencionó con anterioridad, al ser el equipo modulante un sistema automatizado, se agregan dispositivos de control para llevar a la máquina a la falla en seguro, uno de los principales, es el Sistema de Control PLC.
SISTEMA DE CONTROL PLC Todos los Generadores de Vapor Clayton de tipo modulante están equipados con un sistema computarizado de control PLC. Hay una variedad de configuraciones disponible que permite confeccionar el sistema a sus necesidades específicas. Las ventajas del sistema de control PLC incluyen: • Panel de control simplificado que ofrece menor mantenimiento que el sistema lógico de relevadores. • Respuesta mejorada a las demandas de vapor altamente variables, manteniendo una tolerancia cerrada sobre la presión del vapor. • Mayor facilidad de interconexión con el monitoreo de planta y sistemas de control. • Fácil acceso a información sobre operación y control. • Fácil selección de los ajustes de control.
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Capítulo I
Generador de Vapor/Agua Caliente
VENTAJAS EN LA ADQUISICIÓN DE UN GENERADOR DE VAPOR CLAYTON vs. UN GENERADOR DE VAPOR CONVENCIONAL Las ventajas que presenta un Generador de Vapor Clayton comparado con un convencional se listan a continuación: 9 9 9 9 9 9 9 9
Ahorro de Combustible. Menor Peso y Espacio. Seguridad. Calidad de Vapor. Respuesta Rápida - Control Computarizado. Bajas Emisiones. Purga Reducida. Rápido Arranque.
AHORRO DE COMBUSTIBLE Los Generadores de Vapor Clayton son conocidos por su gran eficiencia en el ahorro de combustible y esta eficiencia, regularmente, proviene de dos áreas primordiales - diseño y operación: DISEÑO. Las características de su diseño básico conducen a sus características de alta transferencia del calor del combustible hacia el vapor. Estas características incluyen: 9 Circulación del agua de alimentación a contra-flujo de la circulación de los gases de combustión. Esto resulta en una óptima transferencia de calor. 9 Diseño y espaciamiento de los tubos de su intercambiador de calor (unidad de calentamiento), que aseguran flujo turbulento de los gases de combustión a través del intercambiador, por tanto facilitando la transferencia de calor. 9 Circulación controlada a diferencia de la circulación natural usada en los generadores de vapor convencionales. 9 Una reducida superficie de calentamiento significa menores pérdidas del calor por radiación. Debido a las dimensiones de los generadores de tubos de fuego, sus pérdidas por radiación y convección dentro del cuarto de máquinas normalmente son de 1.4% a 1.6%. 9 Estas mismas pérdidas en el Generador de Vapor Clayton son menores al 0.75%.
Sólo por su circulación controlada y diseño a contra-flujo de su intercambiador de calor (unidad de calentamiento) típicamente, alcanzan un mínimo de 5% de mejora sobre los generadores convencionales de tubos de fuego. La temperatura de chimenea, que es una buena medida para conocer la eficiencia, en un Generador de Vapor Clayton SE, normalmente será de 30 a 40°C abajo de la temperatura del vapor que está produciendo. Por otra parte, considerando la superficie de transferencia requerida de 0.46 m2/BHP (0.14 m2/BHP para un generador Clayton) un generador de tubos de humo de 2 ó 3 pasos tendrá una temperatura de chimenea entre 20 - 30°C sobre la temperatura del vapor producido.
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Principios Teóricos y de Cálculo
Capítulo I
OPERACIÓN. Los factores operacionales que producen ahorros de combustible, incluyen: 9 Arranque Rápido que puede, por ejemplo, eliminar la necesidad de arrancar el generador 1 ó 2 horas antes de necesitarlo o conservar el generador caliente durante los períodos de "tiempo muerto", como en las noches o fin de semana. 9 Vapor de Alta Calidad significa más kcal/kg de vapor y por tanto menos kilogramos de vapor requeridos. 9 Purgas Reducidas. La Purga de un Generador de Vapor Clayton es, propiamente, de 80% a 90% menor que la purga de un generador de tubos de humo. El agua que se purga contiene calor, por eso entre menor sea la cantidad de purga, menor será la pérdida de calor, menor el consumo de combustible y de tratamiento químico del agua. En virtud de que los ahorros de combustible son resultado de muchos factores, los ahorros dependerán de cada aplicación en particular. Sin embargo, ahorros en el rango del 5% al 10% son comunes con el Generador de Vapor Clayton. El PROGRAMA DE AHORRO DE COMBUSTIBLE puede usarse para estimar los ahorros.
MENOR PESO Y ESPACIO El espacio industrial, es muy valioso en la mayoría de las instalaciones, sobre todo en una instalación existente donde el cuarto de máquinas puede estar atestado, o bien, en una edificación nueva donde los costos de construir son de relevancia. Clayton es la solución ideal para esas consideraciones de espacio. El pequeño espacio requerido, normalmente de 1/4 a 1/3 de lo que requiere un generador de tubos de humo, significa que el Generador de Vapor Clayton puede ser instalado en una pequeña área existente sin necesidad de hacer una nueva construcción, o bien, instalar de dos a tres unidades para obtener hasta el triple de vapor, en el mismo espacio requerido para un generador de tubos de humo. Los costos de una construcción nueva se ven reducidos significativamente, con el uso del Generador de Vapor Clayton.
SEGURIDAD Nunca ha habido ni puede haber una explosión por vapor en un Generador de Vapor Clayton. Las explosiones de generadores que causan muerte, lesiones, y serios daños a la propiedad, son resultado de la liberación repentina, instantánea e incontrolable de la gran energía presente en el agua en condiciones de saturación contenida en los generadores de vapor. Estas explosiones no pueden ocurrir en un Generador de Vapor, debido a que el Generador de Vapor contiene solo una pequeña cantidad de agua y el agua está contenida en un intercambiador de calor de serpentín helicoidal. Aún cuando hubiera una fuga en el serpentín, la energía no podría liberarse en forma instantánea porque el agua deberá circular a través del serpentín para alcanzar el sitio de la fuga.
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Capítulo I
Generador de Vapor/Agua Caliente
CALIDAD DE VAPOR El método Clayton para producir vapor consiste de un separador que provee vapor de una calidad mucho mayor que los generadores tradicionales de la misma capacidad. La calidad vapor del Generador Clayton es 99.5% o mejor en muchos casos. Una mayor calidad del vapor significa mayor energía - un kilogramo de vapor contiene típicamente de 3 a 5 veces la cantidad de calor que un kilogramo de agua a la misma temperatura y, ese calor es recuperado más fácilmente en su proceso, que el calor en el agua. En adición, para reducir la cantidad de agua que va hacia su proceso, el vapor de alta calidad también provee la ventaja de reducir los sólidos acarreados hacia el sistema los sólidos que pueden dañar su equipo o, en el caso de inyección de vapor, pueden causar problemas en la calidad del producto.
RESPUESTA RÁPIDA Muchos procesos tienen requerimientos muy precisos respecto a temperatura y presión de vapor, a fin de asegurar la buena calidad de sus productos. Estos mismos procesos, también pueden tener cargas de vapor extremadamente variables. Estos dos tipos de cargas de vapor son difíciles de lograr con los generadores de vapor convencionales ya que necesitan relativamente largo tiempo para aumentar significativamente su presión. Los Generadores Clayton están diseñados justamente para ese tipo de aplicaciones. El bajo contenido de agua, que forma parte de su diseño básico, permite el aumento rápido de las cargas de vapor sin una caída significativa de presión y temperatura del vapor. Adicionalmente, las unidades equipadas con Control Computarizado PLC pueden incluir control lógico, específicamente diseñado para responder a estos tipos de demandas de vapor de los procesos.
BAJAS EMISIONES En la actualidad la industria está enfrentando regulaciones muy estrictas respecto a emisiones. Los requerimientos orientados a disminuir la contaminación del medio ambiente han puesto una carga, en constante aumento, en todas las empresas en busca de mejores métodos para mejorar el aprovecha-miento con mayor limpieza de nuestros recursos naturales. Clayton se enorgullece en presentar sus sistemas de combustión de bajas emisiones para responder a sus necesidades específicas de impacto ambiental.
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Principios Teóricos y de Cálculo
Capítulo I
El quemador de Bajo NOX-Bajo CO en unidades modulantes fue desarrollado por Clayton y American Gas Association Research Laboratories, con el soporte de Southern California Gas Company, California South Coast Air Quality Management District y Gas Research Institute. Este quemador de avanzada tecnología provee ultra bajas emisiones, combinadas con la máxima eficiencia térmica, típica de los Generadores de Vapor Clayton y Calentadores de Fluido.
PURGA REDUCIDA Los sólidos disueltos se introducen en todo sistema de vapor y, por este motivo, el nivel del Total de Sólidos Disueltos (TDS) debe controlarse en todo Generador de Vapor. Esto se lleva a cabo, purgando del generador la cantidad de agua necesaria, con objeto de eliminar parte de los TDS. La purga disminuye la eficiencia del generador, ya que el agua que es eliminada durante este proceso, es agua que ha sido calentada a la temperatura del vapor. Por tanto, en cada purga se elimina calor, calor que ha sido añadido del combustible quemado. Por tanto, entre menor cantidad de agua se purga, se reducen los costos de combustible. El porcentaje de purga en los Generadores de Vapor Clayton es, típicamente entre 80-90% menor de la cantidad de purga de generadores de vapor convencionales.
RÁPIDO ARRANQUE Los Generadores de Vapor Clayton se caracterizan por su rapidez en el arranque - Normalmente de 5 a 10 minutos, dependiendo de la capacidad de la unidad. Esto es resultado de su bajo contenido de agua, habitualmente un 10% del contenido de la mayoría de los generadores de vapor convencionales de la misma capacidad. Esta característica de arranque rápido, da por resultado reducción de los costos de combustible y mano de obra. Muchos operadores de generadores convencionales mantienen caliente su generador durante los períodos de inactividad, sólo para que esté disponible rápidamente cuando se necesite vapor. Como esto no es necesario con los Generadores de Vapor Clayton, se ahorra el combustible gastado durante los períodos de "espera", El combustible consumido durante el período de arranque también se reduce porque el tiempo necesario para el arranque es menor.
CERTIFICACIÓN ASME Los Generadores de Vapor Clayton y los Generadores de Agua Caliente son fabricados siguiendo los lineamientos y los procedimientos de la Sociedad Americana de Ingenieros Mecánicos (ASME) Código de Calderas de Potencia, Sección I y Sección IV. La construcción y los procedimientos de inspección son supervisados regularmente por certificación oficial de ASME y por inspectores autorizados comisionados por la Jurisdicción y por el Consejo Nacional de Calderas e Inspectores de Recipientes a Presión (NBBI). La NBBI es responsable de la aplicación de todas las secciones del código ASME referidas a la fabricación de calderas de vapor. El certificado ASME puede proporcionarse previa solicitud.
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Capítulo I
Generador de Vapor/Agua Caliente
CÁLCULO DE UN GENERADOR DE VAPOR Las aplicaciones de un Generador de Vapor son múltiples, por lo que se hará una generalización para su cálculo. Para calcular un generador de vapor se requiere saber a qué presión va a operar el equipo (presión de operación); cuál es la demanda de vapor requerida para satisfacer las necesidades del proceso; la temperatura del agua de alimentación; las temperaturas inicial y final a las que se lleva a cabo el proceso, o en su defecto, la temperatura a la cual debe permanecer; la cantidad de masa del producto que va a recibir calor a través del generador de vapor o bien, la densidad y el volumen; la capacidad calorífica del producto a calentar; el tiempo que va ha operar el equipo; tipo de combustible que usa el generador de vapor, el poder calorífico del combustible y la cantidad de este. Hay dos modos de calcular un Generador de Vapor, (1) del modo ideal, (2) haciendo ajustes a condiciones reales.
CASO 1 (CONDICIONES IDEALES) Para saber la capacidad que debe tener un Generador de Vapor en condiciones ideales, y que satisfaga las necesidades que requiere el proceso es necesario calcular la cantidad de calor que se debe suministrar al sistema. Éste se calcula con la siguiente fórmula:
Q = mCpΔ T + mh X
(1-1)
Donde: Q = calor total suministrado al sistema (kcal) m = masa del producto a calentar (kg) Cp = Poder calorífico del producto (kcal/kgºC) ΔT = variación de temperatura del proceso (Tf – Ti), para calentar el material (ºC) hX = entalpía de vaporización/total/fusión.
N
OTA: En caso de no contar con “m” del producto, recuerde que la puede calcular a partir de la densidad (ρ) y el volumen (v).
ρ=
m v
(2-1)
N
OTA: El primer término de la ecuación 1, es la energía necesaria para calentar el material de la temperatura inicial Ti, a la temperatura final Tf. El segundo término, es la energía requerida para cambiar de fase. En caso de que en el proceso, el vapor se condense, se emplea la entalpía de vaporización, hfg. Si no hay condensado, es decir, toda la energía es absorbida, se usa la entalpía total, hg. Si el material empleado en el proceso se encuentra en el estado sólido y debe ser calentado hasta llegar a la fase líquida, simplemente se agrega el calor de fusión de dicho material, hfus.
Luego, recordando la definición de evaporación equivalente, se tiene que:
⎛ 1 BHP ⎞ BHP/h = Q [kcal] ⎜ ⎟ ⎝ 8436 kcal/h ⎠
(3-1)
Las condiciones ideales de las que se habla son las del nivel medio del mar, es decir a 1 atmósfera de presión.
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Principios Teóricos y de Cálculo
Capítulo I
CASO 2 (CONDICIONES REALES) Cuando se adquiere un equipo se espera que este funcione igual en todas las partes del planeta, sin embargo las condiciones climáticas y geográficas son un ente que influye ampliamente en su buen desarrollo. Para tener datos más fidedignos de lo que se debe obtener de un generador de vapor conviene hacer las respectivas correcciones. Por ejemplo si se requiere saber cual es la evaporación real del equipo y no se cuenta con el dato exacto, se toma la ecuación 1 y se le hace una corrección por entalpía de vaporización a la presión de operación (recuerde que el equipo trabaja a una presión que no es la misma que la atmosférica). Otra corrección, o más bien especificación, es el tiempo real al que se está llevando a cabo el proceso. Con base a lo anterior se tiene que:
Ws =
Q
(4-1)
h fg t
Donde: Ws = evaporación real o cantidad real de vapor requerida por el proceso (kg/h) Q = descrito en la ecuación 1 hfg = entalpía de vaporización a la presión de operación (kcal/kg) t = tiempo en el que se realiza el proceso (h)
N
OTA: En caso de que tanto el vapor, como el agua condensada generados sean absorbidos por el proceso mismo, la entalpía de vaporización, hfg es sustituida por la entalpía total, hg, ya que toda la energía está siendo aprovechada.
Otra corrección más es el factor de evaporación, el cual es el ajuste que se hace a la evaporación a la presión atmosférica con respecto a la evaporación en un sistema en condiciones locales, esto con base a las entalpías.
F.E. =
h fg (Patm ) h g (Pop ) − h f (TH2Oalim )
(5-4)
Luego, la capacidad del equipo se calcula a partir de la fórmula 6-1.
BHP =
Ws 15.65 (F.E.)
(6-1)
Como es común, cuando adquirimos un equipo, nos preguntamos qué tan eficiente es. Para saber la eficiencia es necesario estar al tanto de qué tipo de combustible está empleando la máquina, el poder calorífico de éste y la cantidad que consume en un tiempo determinado. Ya teniendo estos datos, emplee la fórmula 7-1.
η=
[
Ws h g (Pop ) − h f (TH2Oalim ) PC * Wc
] = calor aprovechado
calor suministrado
Donde: PC = poder calorífico del combustible (kcal/kg) Wc = flujo o consumo de combustible (kg/h, m3/h, L/h)
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(7-1)
Capítulo I
Generador de Vapor/Agua Caliente
Finalmente, el consumo de combustible es: •
100 Q* q ⎛⎜ Wc = * PCS ⎜⎝ η caldera a fuego bajo
3 ⎞ ⎟ [=] kg , m , L ⎟ h h h ⎠
(8-1)
Donde: •
Q = suministro de calor neto por hora aplicado al proceso (kcal/h) q = carga o rate promedio al que esta trabajando la máquina (%). PCS = poder calorífico del combustible (kcal/kg, kcal/m3, kcal/L).
Considerando el costo del combustible por año:
⎡ kg m 3 L ⎤ ⎛ $ $ $ ⎞ ⎛ 24h ⎞ ⎛ 365días ⎞ , ⎥ *⎜ , , ⎟*⎜ Costo de combustible = ⎢ Wc en , ⎟*⎜ ⎟ h h h ⎦ ⎜⎝ kg m 3 L ⎟⎠ ⎝ 1día ⎠ ⎝ 1año ⎠ ⎣
⎛ $ ⎞ Costo de combustible = 8760 * Wc [=] ⎜ ⎟ ⎝ año ⎠
N
(9-1)
OTA: Para el cálculo de un Generador de Agua Caliente, emplee las fórmulas 11, 3-1, 7-1, 8-1 y 9-1 considerando el flujo de agua en lugar del flujo de vapor. Para el cálculo de un Generador de Vapor Modulante Clayton, el procedimiento anterior es válido.
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Principios Teóricos y de Cálculo
Capítulo I
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Capítulo II
Generador de Vapor/Agua Caliente
TRATAMIENTO DEL AGUA DE ALIMENTACIÓN INTRODUCCIÓN Una parte importante para el buen funcionamiento del Generador de Vapor Clayton es el agua con la que éste es alimentado. Para generar vapor de la más alta calidad, y que el equipo tenga una vida duradera y eficiente, se requiere que el agua de alimentación cumpla ciertos requisitos, los cuales serán descritos a continuación.
GENERALIDADES El agua en la naturaleza se encuentra combinada con diversas sales y gases, algunos de estos se encuentran disueltos en ésta y, otros en suspensión. Las sales que más comúnmente se encuentran disueltas en el agua son: CATIONES (+) Calcio (Ca)
ANIONES (-) Sulfatos (SO4)
Magnesio (Mg)
Nitratos (NO3)
Sodio (Na)
Bicarbonatos (HCO3) Cloruros (Cl) Sílice (SiO2)
Con base a esto, el agua se puede clasificar como DURA si tiene presentes Ca y Mg, o SUAVE si dichas sales no están presentes en ella: ¾
AGUAS DURAS: • CaCO3 (carbonato de calcio) • MgCO3 (carbonato de magnesio) • Ca(HCO3)2 (bicarbonato de calcio) • Mg(HCO3)2 (bicarbonato de magnesio) • MgSO4 (sulfato de magnesio)
¾
AGUAS SUAVES: • NaCl (cloruro de sodio) • Na(HCO3)2 (bicarbonato de sodio)
Los problemas asociados con el agua de alimentación al Generador de Vapor son: PROBLEMAS BÁSICOS
SOLUCIÓN GENERAL
Incrustaciones o Depósitos
Tratamiento Externo (Suavizador de Agua)
Corrosión
Tratamiento Interno (Productos Químicos)
Arrastres
Purgas (de STD y en suspensión)
INCRUSTACIONES O DEPÓSITOS El agua de la red (agua dura) contiene sales minerales disueltas, principalmente Calcio y Magnesio; si se utilizara ésta agua dura para generar vapor, se originaría el desprendimiento o precipitación de éstas sales minerales en forma de capas adherentes, conocidas comúnmente como incrustación.
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Tratamiento del Agua de Alimentación
Capítulo II
La incrustación, de acuerdo a lo anterior, puede definirse como el depósito de sales minerales que se adhieren a las paredes metálicas del tubo donde se genera el vapor. Las reacciones químicas son: Ca(HCO3)2
+
calor
→
BICARBONATOS DE CALCIO CARBONO
Mg(HCO3)2
CaCO3
+
H2O
CARBONATO DE CALCIO
+
calor
BICARBONATO DE MAGNESIO
→
MgCO3
+
CO2
AGUA
+
H2O
CARBONATO DE MAGNESIO
AGUA
BIOXIDO DE
+
CO2 BIOXIDO DE CARBONO
Estos depósitos de sales minerales se van acumulando en forma de capas incrustantes, mismas que provocan la reducción del diámetro interno del tubo y en casos extremos ocasionan una obstrucción total. La incrustación actúa como un aislante térmico que impide la transferencia de calor de los gases de combustión hacia el agua que circula dentro del tubo y en consecuencia, produce sobrecalentamiento en el Generador. Este sobrecalentamiento va disminuyendo la eficiencia del sistema de generación de vapor e incrementando el consumo del combustible.
Naturaleza del Depósito
Espesor de la Incrustación (milésimas de pulgada)
Consumo de Combustible en Exceso
Incrustación de Carbonatos
0.0138’’
5.4%
0.0315’’
7.2%
0.0938’’
15.0%
TABLA 1-2. EXCESO DE COMBUSTIBLE CONSUMIDO CON BASE A LA INCRUSTACIÓN FORMADA
Un ejemplo en costos de operación de un Generador de 100 BHP que tiene problemas asociados con incrustación y depósitos es: Consumo de gas por hora: 118.47 m3 Costo del gas por m3: $ 2.15 Costo de operación de un generador libre de incrustaciones: (118.47) (2.15) = $ 254.71 por hora El consumo extra de gas por hora en un generador que sufre incrustación es de: 40 m3 Costo del consumo extra: (40) (2.15) = $ 86.00 por hora El costo de operación de un Generador que tiene problemas de incrustación es de: 254.71 + 86.00 = $ 340.71 por hora Costo de operación por cada 8 horas de trabajo o turno: (340.71) (8) = $ 2,725.68 El costo de operación en un Generador se incrementa aproximadamente en un 34%. Para realizar el tratamiento externo del agua se recomienda el uso de un equipo SUAVIZADOR. Un SUAVIZADOR de agua elimina la dureza del agua originada por la presencia de sales de Calcio y Magnesio, esto se lleva a cabo por medio de una resina catiónica de alta capacidad que se encarga de retener los iones de Calcio y Magnesio para evitar que estos se precipiten dentro del generador y vayan formando capas de sales adheridas que finalmente ocasionan la incrustación.
26
Capítulo II
Generador de Vapor/Agua Caliente
SUAVIZADOR DE AGUA (Figura 1-2) El Equipo Suavizador está compuesto por: a)
TANQUE DE RESINA. De acuerdo a la capacidad del suavizador, este tanque contiene determinada cantidad de resina Catiónica depositada sobre un lecho de grava que le sirve de soporte y a la vez para filtrar el agua que sale de dicho tanque. La resina, al entrar en contacto con el agua dura, realiza una función física para intercambiar los iones de sodio que contiene la resina, por los iones de Calcio y Magnesio que contiene el agua, lo que en otras palabras significa suavizar el agua.
b)
TANQUE DE SALMUERA. Este tanque contiene un flotador, una línea de succión y una cantidad predeterminada de Sal en Grano libre de yodo inmersa en agua. Está solución es lo que comúnmente llamamos Salmuera, y se utiliza para reactivar la resina a fin de que recupere su capacidad de intercambio iónico, que cedió cuando estaba en posición de servicio.
c)
VÁLVULA AUTOMÁTICA ELECTROMECÁNICA. De cinco vías que controla las diferentes fases de operación del suavizador por medio de su control electromecánico, las cuales son: RETROLAVADO – REGENERADO – SERVICIO.
FIGURA 1-2. DIAGRAMA DE INSTALACIÓN DE UN SUAVIZADOR
N
OTA: El suavizador por tiempo cuenta con un control para programar fecha y hora en que debe efectuar su ciclo de regenerado. La regeneración es automática y consta de diferentes etapas con diferente duración cada una. La suma de ellas es de unos 120 minutos dependiendo de la dureza a eliminar o de la capacidad del equipo. Consulte con su asesor químico Clayton para la programación de su equipo ya que depende de la dureza a eliminar.
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Tratamiento del Agua de Alimentación
Capítulo II
OPERACIÓN DEL SUAVIZADOR AUTOMÁTICO 1)
2)
3)
4)
5)
SERVICIO - Cuando el control del suavizador se encuentra en la Etapa de Servicio, el agua dura proveniente de la red municipal entra por la válvula automática, para luego circular dentro del tanque y entrar en contacto con la resina. De esta forma, se realiza el proceso de suavización, es decir, el intercambio iónico, donde la resina retiene los iones de Calcio y Magnesio del agua y cede los iones de Sodio, que no son incrustantes, para suavizar el agua de alimentación del Generador de Vapor. Cada partícula de resina tiene determinada capacidad de intercambio iónico por lo que será necesario reactivarla una vez que se ha agotado dicha capacidad. RETROLAVADO (10’) - El agua dura entra al tanque a través del conducto de alimentación de la válvula automática bajando por el tubo central hasta salir por el distribuidor inferior, de manera que pueda expandir la resina de abajo hacia arriba y arrastrar los sólidos y lodos acumulados sobre el lecho, conduciéndolos hacia el drenaje a través de otro conducto de la válvula automática. El porcentaje del retrolavado es gobernado por el control de flujo instalado en la línea de descarga al drenaje. Para que el retrolavado sea efectivo, el suavizador requiere una presión mínima de alimentación de 1.8 kg/cm2 (25 lb/pulg2). Con presiones menores la etapa del retrolavado es ineficiente. REGENERADO (regenerado + enjuague lento = 60’) - Para este efecto se debe reponer con anticipación, la cantidad especificada de sal, a fin de que en esta etapa la válvula automática absorba del tanque de salmuera, una solución saturada de sal, misma que al entrar en contacto regenerará la resina, para luego, ser descargada hacia el drenaje hasta haber absorbido el volumen programado de salmuera. La regeneración de la resina es un proceso inverso al de suavización, esto es, ahora la resina va a atrapar los iones de sodio de la salmuera y va a ceder los iones de Calcio Magnesio. El porcentaje de flujo de salmuera es controlado por la boquilla del inyector localizado en la válvula de salmuera. ENJUAGUE (Lento) - Al concluir la succión de salmuera el suavizador pasará a la fase de enjuague lento cuya función es prolongar el tiempo de contacto entre la resina y la salmuera para incrementar la eficiencia de la regeneración. El porcentaje de flujo en esta etapa es controlado por la boquilla del inyector de la válvula de salmuera. ENJUAGUE (Rápido 10’) - En esta etapa se remueven las trazas de salmuera y se reacomoda la resina. El flujo del enjuague rápido es gobernado por el control de flujo instalado en la línea de drenaje. REPOSICIÓN DEL AGUA AL TANQUE DE SALMUERA - Una cantidad predeterminada de agua es restituida al tanque de salmuera para que se sature con la sal que se encuentra en el tanque. El flujo de reposición es controlado por la válvula de salmuera.
,
P
RECAUCIÓN: Al término del ciclo de regenerado se debe verificar que el agua tenga una dureza de CERO, 0 ppm. Si en la prueba resulta que el agua está dura, consulte de inmediato a su asesor en tratamiento de aguas. La cantidad de sal consumida por regeneración según el modelo es como se indica en la Tabla 2-2. (Se recomienda tener en el tanque un nivel de sal de 1/2 a 1/2 del tanque para su dilución.) MODELO
CARGA INICIAL (kg)
CARGA POR REGENERACION (kg)
30A
180
7
60A
180
14
90A
180
21
120A
200
28
150A
200
35
180A
450
42
210A
450
49
240A
450
56
TABLA 2-2. CONSUMO DE SAL POR PERIODO DE REGENERACIÓN
28
Capítulo II
Generador de Vapor/Agua Caliente
N
OTA: El suavizador debe tener suficiente capacidad para permitir su regeneración a intervalos que no afecten la jornada normal de trabajo. El Generador no podrá trabajar durante el período de regeneración. Si se requiere una operación continua, se deberá usar un suavizador gemelo, el cual, cuenta con dos columnas de resina que permiten regenerar una, mientras la otra esta en servicio. Los suavizadores gemelos se pueden programar para regenerarse en función del volumen de agua suavizada. También cuentan con un sistema de protección que impide que agua dura pudiera alimentarse al generador durante el período de regenerado.
CÁLCULO DE UN SUAVIZADOR El procedimiento para seleccionar un suavizador adecuado para la alimentación del agua al Generador, debe tomar en cuenta muchas consideraciones. De entrada, es básico obtener un análisis del agua, los caballos caldera del generador, la cantidad de agua que será empleada para alimentar el generador y el porcentaje de recuperación de vapor en condensados. Cada una de estas áreas deberá de ser calculada antes de comenzar el proceso de selección del suavizador. El ultimo paso en la recopilación de información para el proceso de selección de un suavizador, es obtener el numero de horas al día en que el generador esta en operación. Esto no es solo importante en la determinación del volumen de agua para alimentar el generador, sino que también es importante para determinar el diseño del sistema de suavización. Un generador que opera las 24 horas del día, necesitará agua suavizada todo el tiempo, por lo tanto en el diseño se tiene que considerar dos unidades. En sistemas en donde la operación es hasta 16 horas al día, un suavizador sencillo o de una unidad cumple con las necesidades del generador. El tiempo típico para regenerar un suavizador es menor a tres horas.
Primeramente se tiene que: ¾ ¾ ¾ ¾ ¾ ¾ ¾ ¾ ¾ ¾ ¾ ¾
1 gramo = 15.45 granos. 1 granos por galón (gpg) = 17.1 partes por millón (ppm). 1 ft3 de resina del suavizador regenera 2000 gramos de dureza = 30000 granos = 25 L. 3 Cada ft de resina se regenera con 6.8 kg de sal (15 lb). kgv = Kilogramos de vapor. Lv = Litro de vapor. T. O. = Tiempo de operación. %RC = Porcentaje de Retorno de Condensado1. TR = Tiempo de Regenerado. F. C. = Factor de Carga promedio, o rate del generador de vapor. Cantidad de agua requerida entre regeneraciones = 15.6 L/BHP a plena carga con cero retorno de condensado. 1 ppm = 1 mg/L.
Consumo de agua:
(BHP)⎛⎜ 15.65 L ⎞⎟⎛⎜ T.O. ⎞⎟[=] ⎝ BHP ⎠⎝ día ⎠
L día
(1-2)
Agua a tratar:
⎛ % RC ⎞ ⎛ F.C. ⎞ L (1)⎜1 − ⎟⎜ ⎟= 100 ⎠ ⎝ 100 ⎠ día ⎝ 1
En la siguiente sección se hablará del retorno de condensados.
29
(2-2)
Tratamiento del Agua de Alimentación
Capítulo II
Dureza a eliminar:
⎛ 1 mg/L ⎞⎛ 1 g ⎞ g ⎟⎟⎜⎜ ⎟⎟[=] (2)(Dureza en ppm )⎜⎜ ⎝ 1 ppm ⎠⎝ 1000 mg ⎠ día
(3-2)
(3) [=] ft 3 2000
(4-2)
Suavizador Calculado:
Suavizador Recomendado: Es el suavizador calculado en números cerrados, por ejemplo, si el suavizador calculado es de 1.4 ft3, entonces el suavizador recomendado es de 2 ft3. Siempre se elige el número inmediato mayor, debido a las variaciones de dureza en el agua.
Consumo de Sal:
1ft 3 = 6.8 kg de sal ⎛ 6.8 kg de sal/día ⎞ kg de sal (4)⎜ ⎟[=] día 1 ft 3 ⎝ ⎠ (5) = L de agua al día para preparar solución de salmuera 0.360 kg/L
(5-2)
(6-2)
Tiempo de Regenerado: Suavizador Recomendad o Suavizador Calculado
(7-2)
Dureza en ppm = gpg 17.1
(8-2)
⎛ 4.13gal ⎞ Consumo de Agua = (BHP)⎜ ⎟(1 − %RC)(T.O.) h ⎝ ⎠
(9-2)
TR =
Suavizadores por Galonaje:
N
Dureza en ppm = gpg 17.1
(8-2)
Suavizador Calculado en Granos = galones por tratar (8)
(10-2)
OTA: Se recomienda un 15% adicional para controlar variaciones imprevistas en el agua dura.
Existen diferentes tamaños de suavizadores estos se recomiendan de acuerdo a la demanda de agua y a la dureza a eliminar del agua de alimentación. Para saber cual es el equipo adecuado a sus necesidades, se requiere analizar una muestra de agua de Red o Municipal para conocer la Dureza que se tiene que eliminar en ppm y el gasto que se requiere de agua para alimentar a su generador.
30
Capítulo II
Generador de Vapor/Agua Caliente
Como dato adicional, la Asociación de la Calidad del Agua (WQA) define los grados de dureza del agua como sigue: Término
Granos/Galón
ppm
Suavidad
=
Menos de 1.0
Menos de 17.1
Ligeramente Duro
=
1.0 a 3.5
17.1 a 60
Moderadamente Duro
=
3.5 a 7.0
60 a 120
Duro Muy Duro
= =
7.0 a 10.5 10.5 y mayor
120 a 180 180 y mayor
TABLA 3-2. GRADOS DE DUREZA DEL AGUA
DATOS IMPORTANTES SOBRE LA LÍNEA DE AGUA DE REPOSICIÓN AL SUAVIZADOR
La tubería de agua fría al(los) suavizador(es) de agua, y desde el(los) mismo(s) a la válvula de control de agua de reposición debe ser de acero galvanizado cédula 40, o cédula 80 de PVC.
N
OTA: Instale un dispositivo antisifón (si es requerido por las regulaciones locales de salud) en la línea de suministro de agua dura.
20
Válvula de Reposición (pulg) 3/8
Tamaño Mínimo de la Línea (pulg) 1/4
300
Válvula de Reposición (pulg) 1
Tamaño Mínimo de la Línea (pulg) 1-1/4
40
3/8
3/8
350
1
1-1/4
60 80
3/4
1/2
400
1
1-1/4
3/4
3/4
450
1
1-1/2
100
3/4
1
600
1
1-1/2
150
3/4
1
1200
1-1/2
2
200
3/4
1-1/4
1600
2
2-1/2
250
1
1-1/4
2000
2
3
BHP
BHP
TABLA 4-2. TAMAÑO DE LA LÍNEAS DE AGUA DE REPOSICIÓN DESDE 2 EL SUAVIZADOR DE AGUA AL TANQUE RECEPTOR DE CONDENSADO
2
N
OTA: Pero la dureza no es el único problema que hay que enfrentar en el agua de alimentación.
En la siguiente sección se hablará de los diversos sistemas de tanques de condensados.
31
Tratamiento del Agua de Alimentación
Capítulo II
CORROSIÓN En general, los principales factores que causan la corrosión son: ¾ ¾ ¾
Los gases disueltos. Las condiciones ácidas o cáusticas del agua. Las altas temperaturas que aceleran el proceso de corrosión.
Como se mencionó con anterioridad, el agua lleva consigo algunos gases disueltos, entre ellos el más importante para nuestro caso, es el oxígeno. Por otro lado, el agua “potable” tiene un pH relativamente bajo (entre 7 y 8) por lo que se torna ácida para el sistema. El tratamiento químico (suavizado) que se da al agua no elimina éstas condiciones, por lo que si ésta agua es enviada al tanque receptor tal como se encuentra, causará la corrosión del mismo. La solución a estos problemas, es la adición de productos químicos (tratamiento interno) para ajustar las características del agua a los requerimientos establecidos. Uno de esos productos es el OXICLAY. Este producto químico elaborado a base de sulfito catalizado reacciona con el oxígeno disuelto en el agua, atrapándolo y generando sulfatos que deben ser purgados (del tanque receptor) para no saturar el agua; además, esto ayuda a controlar la cantidad de Sólidos Disueltos Totales (STD, por sus siglas en inglés). La reacción química es: Na2SO3
+
SULFITO DE SODIO
→
1/2O2 OXIGENO
Na2SO4 SULFATO DE SODIO
Otro es el POLICLAY, el cual mantiene un pH entre 10.5 - 12.0 para evitar ataques de corrosión por tendencia ácida o cáustica según sea el caso. Además de crear una película protectora de corrosión a el equipo y mantener como lodo en suspensión Todo esto ocurre en el tanque de condensados. Luego, el agua sale de este tanque y entra a la bomba de agua para ser enviada a presión a la unidad de calentamiento. Dicha agua trae consigo Bicarbonatos de Sodio, los cuales al ser expuestos al calor, generan Carbonatos de Sodio, Agua y Bióxido de Carbono. Al seguir aplicando calor, se genera Hidróxido de Sodio y Bióxido de Carbono. Las reacciones que se llevan a cabo en esta etapa son: 2NaHCO3
calor
+
→
BICARBONATOS DE SODIO CARBONO
Na2CO3 CARBONATOS DE SODIO CARBONO
Na2CO3
+
CARBONATOS DE SODIO
+
H2O
+
calor
AGUA
→
H2O
CO2
+
AGUA
2NaOH HIDROXIDO DE SODIO
BIOXIDO DE
+
CO2 BIOXIDO
DE
El Hidróxido de Sodio mantiene estable el pH y además solubiliza a la Sílice para poderla eliminar por medio de la purga (serpentín), esto con el fin de evitar la incrustación del sistema por silicatos.
,
P
RECAUCIÓN: Cuando el agua a cierta temperatura sobrepasa las normas preestablecidas de alcalinidad por exceso de Hidróxido de Sodio (NaOH), se presenta una tensión anormal de un sobreesfuerzo más allá del limite elástico del material del generador por un recalentamiento o sobrepresión; originando fragilización caustica en el metal por formación de gases en los espacios intercristalinos (Cristalización) y puede llegar a un riesgo de fractura o ruptura llamada falla por corrosión caustica.
32
Capítulo II
Generador de Vapor/Agua Caliente
Por otro lado, el CO2 generado en la unidad de calentamiento, viaja junto con el vapor (ya que es un gas no condensable), y al llegar a la línea de retorno de condensado y encontrarse con una temperatura y presión menores, reaccionan éste y el vapor condensado formando ácido carbónico, el cual es altamente corrosivo. La reacción química es: +
CO2 BIOXIDO DE CARBONO
H2O
→
H2CO3
AGUA
ACIDO CARBONICO
Para evitar la corrosión por ácido carbónico, anteriormente debe suministrarse un producto a base de aminas (AMINCLAY) en la línea de la bomba de agua. Esta amina no hace reacción sino hasta encontrarse con el ácido carbónico, neutralizándolo.
N
OTA: Este producto químico jamás debe ser empleado en las Industrial Alimenticia y Farmacéutica ya que las aminas son causantes de cáncer y debe evitarse todo riesgo.
La manera más sencilla de eliminar el oxígeno disuelto es aumentando la temperatura del agua en el tanque. Hay diversos métodos de calentamiento para el agua de alimentación, tales como el uso de un deaereador, tanque de condensado y el uso de reactivos químicos como se acaba de mencionar. Su elección depende del costo de la instalación y el uso de productos químicos, tal y como lo muestra la Tabla 5-2.
EQUIPO SCR Deaereador Tanque de Precalentamiento Tanque Frío
TEMPERATURA
COSTO INICIAL
USO DE PRODUCTO QUÍMICO
ELIMINACIÓN DE OXÍGENO
100ºC o mayor
Máximo
Mínimo
Excelente
87 – 98ºC
Bajo
Bajo
Buena
37ºC o menor
Mínimo
Máximo
Pobre
TABLA 5-2: MÉTODOS DE CALENTAMIENTO PARA ELIMINAR OXÍGENO
El método más generalizado en sistemas abiertos consiste en precalentar el agua de alimentación almacenada en el tanque de condensados. Para este efecto se aprovecha el calor que proviene del retorno de condensados (sobreflujo del separador y líneas de servicio), además de una línea de vapor proveniente del separador que es controlada mediante una válvula termostática. Para una buena eliminación del oxígeno y el bióxido de carbono es necesario mantener una temperatura de 86°C a 94ºC. Lo anterior se logra cuando el retorno de condensados es de 60% o más del total del agua consumida por el Generador; cuando el porcentaje de retorno es menor, será necesario utilizar un equipo de precalentamiento para alcanzar dichas temperaturas. El oxígeno remanente en el agua del tanque de condensados después del precalentamiento se controla por medio de productos químicos, formulados para eliminar los gases corrosivos dejando un residual de tratamiento a base de sulfitos de 50 a 100 ppm.
N
OTA: Los productos químicos se aplican a través de una Bomba Dosificadora. Este tema se abordará en el siguiente capítulo se hablará de ella, ya que se trata de un periférico del Tanque de Condensado.
33
Tratamiento del Agua de Alimentación
Capítulo II
ARRASTRES Otro de los problemas que se pueden presentar en los Generadores de Vapor son los arrastres, los cuales suceden cuando las sales minerales o partículas suspendidas se mezclan con el vapor y se arrastran por la línea de vapor. Estas partículas se conocen comúnmente como Sólidos Disueltos y Sólidos en Suspensión.
SÓLIDOS DISUELTOS
Los sólidos disueltos forman lodos en el agua de alimentación, si llegan a concentrarse pueden provocar obstrucción en la unidad de calentamiento. En el sistema Clayton, los sólidos disueltos se controlan mediante dos acciones: a)
Purgando la unidad de calentamiento y el separador de vapor cada 8 horas de trabajo.
b)
Ajustando la válvula de purga automática. Dicha válvula elimina del sistema una gran cantidad de sólidos disueltos que son enviados al drenaje durante la operación normal del Generador de Vapor.
SÓLIDOS EN SUSPENSIÓN
Si el agua contiene sólidos en suspensión, al convertirse en vapor, los sólidos se depositan en el interior de la unidad de calentamiento ocasionando obstrucciones que afectan la operación del Generador. Adicionalmente, dichos sólidos también pueden ser causa de erosión interna. Los sólidos en suspensión se eliminan del agua de alimentación mediante el siguiente método: a)
A través de la limpieza de los filtros que forman parte de la propia instalación
b)
Con la operación correcta y mantenimiento programado del suavizador de agua, mismo que elimina gran cantidad de lodos acumulados en la columna de resina mediante el proceso de lavado.
Para obtener un mejor control en los residuales de tratamiento y controlar el residual de sólidos disueltos permitidos, se recomienda la instalación de un purgador automático de STD, así el equipo purgara el sistema las veces que sea necesario manteniendo un control de acuerdo a los parámetros a los cuales se haya calibrado. Se deberá programar un set point mínimo y un set point máximo para que el equipo pueda leer la cantidad de Sólidos presentes e iniciar un ciclo de purga. De esta manera se elimina la realización de purgas manuales y obtener así un mejor control y entrega de vapor limpio, evitando arrastres hacia los procesos.
34
Capítulo II
Generador de Vapor/Agua Caliente
CÁLCULO DE PURGA DE SÓLIDOS EN GENERADORES DE VAPOR
FIGURA 2-2. PURGA DE SÓLIDOS EN GENERADORES DE VAPOR
Considerando la Figura 2-1, y haciendo un balance de masas de entradas y salidas al sistema de Generador de Vapor Clayton, se tiene el siguiente balance:
K AS * AS + K R * R = K V V + K P + P
(11-2)
Donde: KAS = Concentración de STD de Agua de Suministro (Make Up) en mg/L KR = Concentración de STD de Retorno de Condensados en mg/L KV = Concentración de STD de Vapor Generado en mg/L KP = Concentración de STD de Agua de Purga hacia el drenaje en mg/L AS = Agua de Suministro (Make Up) en litros R = Retorno de Condensados en litros V = Vapor Generado en litros P = Agua de Purga hacia el drenaje en litros En términos generales se puede considerar que los STD de KR y KV son cero, por lo tanto de la fórmula 11-2 se deduce que:
⎛K ⎞ P = AS⎜⎜ AS ⎟⎟ ⎝ KP ⎠
(12-2)
Haciendo nuevamente un balance de masas de entradas y salidas en el Generador de Vapor Clayton se tiene que:
K AC * AC = K V V + K P * (T + P)
35
Tratamiento del Agua de Alimentación
Capítulo II
Donde: KAC = Concentración de STD de Agua de Suministro al Generador de Vapor en mg/L AC = Agua de Suministro al Generador de Vapor en litros T = Retorno de la Trampa del Separador de Vapor en litros Nuevamente, considerando en términos generales KV como cero, queda:
K AC * AC = K P * (T + P) Despejando KP:
⎛ AC ⎞ K P = K AC * ⎜ ⎟ ⎝T+P⎠
(13-2)
Por condiciones de diseño para el Generador de Vapor Clayton, el agua de alimentación del Generador (AC) se suministra considerando que el sobreflujo recuperado en el Separador de Vapor sea al menos un 15% de la generación de vapor, por lo que:
T + P = 0.15 * AC Sustituyendo este valor en 13:
KP =
K AC = 6.7 * K AC 0.15
(14-2)
Los valores recomendados de STD (KAC) de agua de alimentación al Generador de Vapor son de 3000 a 6000 mg/L, por lo que los valores de KP con base a la fórmula 14 serán:
20 000 ≤ K P ≤ 40 000
(15-2)
Utilizando la fórmula 12-2 y aplicando los valores encontrados para KP y considerando un Agua de Suministro Suavizada con promedios de 400 mg/L, encontramos que la purga necesaria para un Generador de Vapor Clayton es:
1%AS ≤ P ≤ 2%AS Para calcular la purga requerida en un Generador de Vapor Convencional de tubo de humo o de tubos de agua se cumple también la fórmula 12-2, con valores de KP recomendados de:
1000 ≤ K P ≤ 1500 Nuevamente aplicando estos valores en la fórmula 12-2 con un Agua de Suministro Suavizada con 400 mg/L, la purga necesaria para mantener los STD sería:
27% AS ≤ P ≤ 40% AS Esta purga finalmente es agua suavizada con productos químicos para el tratamiento interno del Generador de Vapor y se descarga al drenaje a la temperatura de saturación del vapor, lo que implica pérdida de energía y combustible.
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Capítulo II
Generador de Vapor/Agua Caliente
COSTO DE LA PURGA DE SÓLIDOS DE UN GENERADOR DE VAPOR
Considere un Generador de Vapor de 100 BHP trabajando al 100% de su carga durante 24 horas al día y los 365 días del año. Datos de Operación: Presión = 100 psig (7 kg/cm2) Temperatura = 170ºC Generación de Vapor = 1320 kg/h PCS del diesel = 8580 kcal/L Eficiencia de Operación = 80% Purga máxima en un Generador de Vapor Clayton:
⎛ 1320 kg ⎞ 26.4 L Purga Máxima = 2% ⎜ a 170º C ⎟= h ⎝ h ⎠
Calor Perdido = mCpΔ T Calor Perdido =
26.4 L ⎛ 1 gr ⎞⎛ 1000 cm 3 ⎞⎛ 1 kg ⎞ ⎛ 1 kcal ⎞ 3690 kcal ⎟⎟⎜⎜ ⎟⎟ ⎜⎜ ⎟⎟(170º C − 20º C) = ⎜ 3 ⎟⎜⎜ h ⎝ cm ⎠⎝ 1 L ⎠⎝ 1000 gr ⎠ ⎝ kgº C ⎠ h
Diesel Requerido = Costo por hora = Costo por año =
3690 kcal/h 0.58 L = 8580 kcal/L * 0.8 h 0.58 L ⎛ $ 4.86 ⎞ $ 2.82 ⎟= ⎜ h ⎝ L ⎠ h
$ 2.82 ⎛ 24h ⎞⎛ 365días ⎞ $ 24 703 ⎟= ⎜ ⎟⎜ h ⎝ 1día ⎠⎝ 1año ⎠ año
Purga máxima en un Generador de Vapor Convencional:
⎛ 1320 kg ⎞ 52.8 L Purga Máxima = 4% ⎜ a 170º C ⎟= h ⎝ h ⎠ Calor Perdido =
7920 kcal 52.8 L ⎛ 1 gr ⎞⎛ 1000 cm 3 ⎞⎛ 1 kg ⎞ ⎛ 1 kcal ⎞ ⎟⎟⎜⎜ ⎟⎟ ⎜⎜ ⎟⎟(170º C − 20º C) = ⎜ 3 ⎟⎜⎜ h ⎝ cm ⎠⎝ 1 L ⎠⎝ 1000 gr ⎠ ⎝ kgº C ⎠ h
Diesel Requerido = Costo por hora = Costo por año =
7920 kcal/h 1.15 L = 8580 kcal/L * 0.8 h 1.15 L ⎛ $ 4.86 ⎞ $ 5.61 ⎜ ⎟= h ⎝ L ⎠ h
$ 5.61 ⎛ 24h ⎞⎛ 365días ⎞ $ 49 1 23.4 ⎜ ⎟⎜ ⎟= h ⎝ 1día ⎠⎝ 1año ⎠ año
37
Tratamiento del Agua de Alimentación
Capítulo II
AHORRO POR PURGAS EN CALDERAS CLAYTON =
$ 24 420.38 año
Finalmente, los parámetros a controlar en el agua de alimentación al Generador de Vapor deben estar dentro de los siguientes residuales de tratamiento:
REQUERIMIENTOS DEL AGUA DE ALIMENTACIÓN 1. Dureza Cero (menos de 4 ppm). 2. Tener suficiente alcalinidad (pH mínimo 10.5 – 11.5). Valor máximo permisible de 12.5. 3. Libre de OXÍGENO DISUELTO con un valor de sulfito residual > 50 ppm. 4. SÓLIDOS DISUELTOS TOTALES: •
Rango normal 3000 – 6000 ppm.
•
Límite máximo 8550 ppm
•
Equipos con desmineralizador 1000 – 3000 ppm
5.
FIERRO DISUELTO: < 3.0 ppm
6.
Libre de SÓLIDOS SUSPENDIDOS
7.
SÍLICE: • 120 ppm con la alcalinidad apropiada •
Para desmineralizadores < 10 ppm
Es muy importante mantener estos parámetros ya que de no ser así el equipo sufrirá daños ocasionados por incrustación o corrosión reflejado en altos gastos de operación, reparación del equipo y paros inesperados, debido a perforaciones, daños en la fluxería o desincrustación del equipo.
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Capítulo III
Generador de Vapor Clayton/Agua Caliente
PERIFÉRICOS DE UN GENERADOR DE VAPOR CLAYTON Son aquellos que complementan los generadores de vapor permitiendo su correcto funcionamiento. Por lo general, se instalan en una zona próxima al generador y, con frecuencia, dentro de una sala que se denomina central térmica o cuarto de máquinas. Los de uso más común son: • Suavizador de Agua. • Tanque de Almacenamiento (retorno de condensado). • Tanque de “Flasheo” • Tanque de Purgas. • Tanque de Combustible.
SUAVIZADOR DE AGUA Ya descrito en la Sección de Tratamiento de Agua.
TANQUE DE ALMACENAMIENTO DE AGUA (RETORNO DE CONDENSADO Y PRECALENTAMIENTO) Uno de los factores principales para la operación óptima de un generador es el contar con un sistema de suministro de agua el cual sea adecuado para cada caso en particular. Esto es debido a que es indispensable mantener un nivel de agua constante en el interior del generador para que no ocurra un siniestro o falla de algunas de sus partes. Todo sistema efectivo de alimentación de agua a generadores debe contar con: a) Reserva mínima de agua (tanque de almacenamiento). b) Equipo de bombeo. c) Control de sistema.
RESERVA MÍNIMA DE AGUA La cantidad de agua que se alimenta a un generador es prácticamente la cantidad de vapor que se produce, por lo tanto la reserva de agua necesaria va en proporción a la capacidad del generador. Un criterio recomendable para obtener la cantidad de agua de reserva y la capacidad del tanque es almacenar una cantidad mínima de agua suficiente para soportar la evaporación del generador por lo menos durante 20 minutos. En la mayoría de los casos para cumplir con un almacenamiento de agua adecuado se utiliza un recipiente el cual además de mantener la reserva mínima de agua, sirve también para recibir el retorno de condensados de alta y baja presión (en caso de haberlos), el cual se denomina tanque de almacenamiento. CÁLCULO DE RESERVA MÍNIMA DE AGUA Se sabe que para producir 1 BHP se requieren 15.65 kg/h de agua o bien, 0.261 litros/minuto de agua (0.069 galones/minuto de agua). De acuerdo a esto, un generador de Ψ BHP de capacidad evaporará: 39
Periféricos o Equipos Auxiliares del Generador de Vapor Clayton
L de agua ⎛ 0.261 L/min de agua ⎞ ψ BHP⎜ ⎟ = ψ * 0.261[=] 1 BHP min ⎝ ⎠
Capítulo III
(1-3)
Si la reserva mínima deberá satisfacer la evaporación en el generador durante 20 minutos, entonces la reserva mínima total es:
(1) * (20min ) = ψ * 5.22 [=] L de agua
(2-3)
El tanque de almacenamiento no deberá estar ahogado en ningún momento, por lo tanto, el volumen total de éste debe ser:
reserva mínima de agua (2) = = 7.5 * ψ [=] L de agua 0.7 0.7
(3-3)
Esto es con la finalidad de dejar libre el 30% del volumen del tanque. El agua de alimentación al generador debe estar a la temperatura más alta disponible para evitar problemas de dilatación, contracciones y choques térmicos dentro del generador, de aquí la conveniencia de utilizar un mismo tanque para almacenar la reserva mínima y para recibir el retorno de condensados lográndose con esto elevar la temperatura del agua de repuesto necesaria. Este se instala generalmente a dos metros arriba de la bomba de agua del Generador de Vapor para proveer junto con una bomba de refuerzo de 0.21 a 0.8 kg/cm2. El tanque de condensado también sirve para recibir el tratamiento del agua de alimentación. El ensamble incluye un sistema de suavización de agua, sistema de inyección química y un tanque de purga con una válvula de agua de enfriamiento. El tipo de receptor utilizado depende de la cantidad y temperatura del retorno de condensado desde el sistema de vapor y/o el método preferido para remover el oxígeno. El tanque de condensado es un tanque colector de agua acondicionada donde el agua tratada con compuestos químicos es suministrada a la Bomba de Agua de Alimentación, y al cual retornan el trampeo y los condensados del sistema. Clayton utiliza tres (3) Sistemas Receptores de Condensados: ¾ ¾ ¾
Abierto o Atmosférico Deaereador Semi-Cerrado
SISTEMAS RECEPTORES DE CONDENSADO SISTEMA ABIERTO O ATMOSFÉRICO (Refiérase al Dibujo P & ID R-16099 y R-16100) El Sistema Abierto es aquél en el cual el agua de reposición, el retorno de condensado (retorno del sistema y del separador de la trampa), tratamiento químico, y vapor calentado son enviados a un Tanque Almacenamiento de Agua de Alimentación atmosférico, (venteado a la atmósfera – sin presión y normalmente a baja temperatura). El tamaño de los Sistemas Receptores de Agua de Alimentación Abiertos es seleccionado de acuerdo al volumen de agua de alimentación y al tiempo necesario que requiere cada tratamiento químico para reaccionar. El condensado, el retorno de la trampa y el tratamiento químico para el agua de alimentación son inyectados en el extremo opuesto del tanque en la conexión de salida del agua de alimentación. Esto ayuda a evitar
40
Capítulo III
Generador de Vapor Clayton/Agua Caliente
problemas de entrega a la(s) Bomba(s) de Refuerzo o a la Bomba de Agua, y además proporciona tiempo suficiente para que se lleve a cado la reacción del tratamiento químico. El tanque de almacenamiento está diseñado para mantener el agua de alimentación a 86 - 93°C, reduciendo con esto, la cantidad de químicos requeridos por el oxígeno disuelto. Si el Tanque Receptor no se eleva lo suficiente para dar el NPSH requerido, se deben usar Bombas de Refuerzo. Para maximizar la retención de calor, el Tanque Receptor debe ser aislado. OTA: El Tanque Receptor Clayton es elegido de acuerdo al flujo y a la mezcla de productos químicos. Si un sistema de condensado del cliente, crea olas grandes en el retorno durante el arranque o mientras la operación, esto puede causar sobreflujo al Tanque de Almacenamiento. La adecuada evaluación del sistema de retorno de condensado es responsabilidad del cliente.
N
DEAEREADOR (DA) (Refiérase al P & ID, Dibujo R-16595) El control eficaz de la presión en el Deaereador es esencial para el adecuado desarrollo y operación del sistema del Generador de Vapor Clayton. La mayoría de los Deaereadores tienen conexiones de entrada de retorno de condensado de alta y baja presión. El condensado de alta temperatura debe ser introducido en el DA a través de un tubo inductor. El retorno de condensado afecta la presión y la temperatura del agua en el DA. El retorno de condensado introducido aumenta la presión en el DA y, recíprocamente, reduciendo la cantidad de retorno de condensado disminuye la presión en el DA. Cuando la cantidad de retorno de condensado es insuficiente para mantener el nivel de agua deseado en el DA, relativamente es admitida agua de reposición fría. Esta da como resultado una caída de presión (algunas veces súbita) en el DA. Esto distorsiona la relación temperatura-presión de saturación causando la alta temperatura del agua en el DA y flasheando. También puede ser flasheada una pequeña cantidad de agua en la línea de suministro hacia la bomba de agua. Esta condición puede resultar en cavitación en la bomba de agua, impidiendo la entrega de agua y provocando una condición de sobrecalentamiento en el serpentín. Por otro lado, si el agua en el DA es sobrecalentada debido a una cantidad excesiva de retorno de condensado, algo de este vapor debe ser venteado como vapor para evitar el exceso de presión en el DA. Las válvulas reguladoras de presión, PRV/BPR, son usadas para mantener una presión estable en el DA. Cuando se siente una caída de presión se usa una Válvula Reguladora de Presión (PRV) hacia el DA para inyectar vapor. La PRV para este servicio es operada normalmente por piloto. La línea sensible debe estar conectada al cabezal del Deaereador en lugar de la línea de tubería del PRV. Esto evitará cualquier variación de control debido a pérdidas de presión en la línea. Un Regulador de Contrapresión (BPR) es usado para ventear vapor durante periodos de exceso de presión. Cuando son devueltas grandes cantidades de condensado caliente, será liberada momentáneamente una cantidad de vapor. Esto es normal. En aplicaciones con Deaereador Clayton se usa un Separador con Trampas de Vapor Dobles para disminuir esta condición. Con condiciones intermitentes de retorno de condensado a diferentes temperaturas y agua de reposición fría, no es posible absorber todo el calor desde el condensado caliente. Las fluctuaciones de presión en el Deaereador deben ser controladas dentro de los 0.14 – 0.21 kg/cm2. El Deaereador debe ser instalado horizontalmente. El DA debe ser elevado sobre la(s) Bomba(s) de Refuerzo, el sistema menos sensible, el de entrega de agua, será para variaciones de presión. Otros factores, tal como pérdidas por fricción en la línea de suministro de agua de alimentación y las características de la(s) Bomba(s) de Refuerzo para la Carga Neta Positiva (NPSH), deben ser considerados cuando planee la instalación del Deaereador. Clayton requiere bombas de refuerzo para la mayoría de las instalaciones con DA. El Deaereador puede ser aislado para maximizar la retención del calor. La descripción para el tratamiento de agua y componentes adicionales se muestra en el Dibujo R-16595. 41
Periféricos o Equipos Auxiliares del Generador de Vapor Clayton
Capítulo III
TANQUE RECEPTOR SEMI-CERRADO (SCR) Un sistema Receptor Semi-cerrado es usado cuando el condensado puede regresar a temperatura y presión relativamente altas. La presión en el tanque receptor es determinada por el sistema de retorno de condensado. Cuando el sistema está caliente y operando a su “presión de balance” normal, se pueden ajustar el Regulador de Contrapresión y la Válvula Reguladora de Presión. Los sistemas SCR normalmente operan entre 3.5 – 8.8 kg/cm2 y deben estar al menos 3.5 kg/cm2 por debajo de la presión de vapor anticipada. Debido a estas altas presiones/temperaturas de operación (el agua de alimentación estará entre 149 – 177 ºC), el tratamiento químico del agua de alimentación es reducido pero no eliminado. Debido a la elevada temperatura del agua de alimentación, se hace circular agua de enfriamiento sobre los cabezales de la bomba de agua. Esto ayuda a mantener fríos los diafragmas de la bomba prolongando por lo tanto la vida de la misma. El agua de enfriamiento en el cabezal de la bomba no tiene que ser agua suavizada a menos que ésta sea regresada al tanque de condensado. La instalación de las líneas de agua de enfriamiento hacia las conexiones del cabezal de la bomba es responsabilidad del instalador.
Componentes de un sistema SCR, refiérase al Dibujo R-16596 El tamaño del Receptor Semi-cerrado debe ser calculado de acuerdo a la capacidad de 5.7 litros por caballo caldera de potencia. Si la instalación está operando a una presión común, se pueden operar varios Generadores con un tanque receptor. El tanque receptor debe cumplir con el Código ASME Sección VIII con respecto a las especificaciones para Recipientes Sujetos a Presión. Debe haber también una válvula grande en la línea de drene en el fondo del receptor para permitir el drene periódico y el vaciado del tanque.
N N
OTA: El Tanque Receptor debe ser instalado para que proporcione suficiente NPSH a la(s) bomba(s) de alimentación de agua. OTA: El uso de un sistema SCR requiere un tanque deareador de baja presión o uno abierto para el condensado también de baja presión. También se requiere de una bomba de Transferencia para alimentar el agua de repuesto al SCR.
Para plantas con procesos y requerimientos de vapor, probablemente será considerado uno de los tres sistemas listados; el Abierto, el Deareador, o el Semi-Cerrado. Estos tres sistemas pueden ser evaluados en Costo vs. Desarrollo básico, como sigue.
TIPO DE SISTEMA
COSTO INICIAL
COSTO DE OPERACIÓN
*DESARROLLO
Abierto
Bajo
Muy Alto
Bajo
Semi-Cerrado
Medio
Medio
Muy Alto
Deareador
Muy alto
Medio
Medio
TABLA 1-3. COMPARACIÓN DE VARIOS TIPOS DE SISTEMAS DE CONDENSADO * El desarrollo es evaluado principalmente con la intención de eliminar gases no-condensables y retención del calor del condensado.
42
Capítulo III
Generador de Vapor Clayton/Agua Caliente
En general, un tanque de condensado actúa como un tanque de almacenamiento para la mezcla de productos químicos y agua de alimentación. El sistema consiste, a grandes rasgos de un tanque de condensado con tubo(s) inductor(es), un Kit de agua, incluyendo 1 o 2 válvulas de control de nivel de agua de repuesto, un termómetro digital, y un medidor de vidrio de nivel de agua; el Kit del calentador incluye una válvula reguladora de temperatura, tubos capilares (y válvula de reducción de presión cuando se requiera), tubo inductor, y tubería de alimentación. En un tanque de almacenamiento (condensado) el nivel deseado de temperatura del agua de alimentación es mantenido a través de la mezcla de los fluidos usados para alimentar el generador de vapor Clayton y otros generadores. Estos siempre incluyen suavizador de agua de repuesto y vapor del sistema principal. En sistemas en los que no se usa trampa de vapor, éste se alimenta de la trampa de retorno Clayton y, del retorno de condensado, de las líneas de condensado. La temperatura del agua en el tanque de condensado es disminuida por el agua de repuesto fría y por la pérdida de energía por la radiación, mientras que ésta se eleva a través del flujo del retorno de la trampa y el retorno de condensado más la introducción de vapor vivo por la válvula reguladora de temperatura. La temperatura del agua de alimentación en el tanque debe mantenerse a un mínimo de 85°C durante la operación del generador de vapor para permitir la absorción química adecuada y reducir el uso de químicos. El diseño inadecuado del tanque de condensado o el control de temperatura puede causar corrosión en el serpentín del generador de vapor o en la tubería del generador, por tanto, es importante que el tanque de condensado y los accesorios sean seleccionados propiamente para cada aplicación específica. La decisión de cuál tanque usar, depende de un número de factores: Costo inicial y periodo de reembolso, horas de operación proyectadas, perfil de carga de vapor, temperatura y cantidad del retorno de condensado, cantidad de agua de repuesto requerida y características del agua cruda local.
LAYOUT DEL EQUIPO PARA PATINES DE TANQUE RECEPTOR DE CONDENSADOS
FIGURA 1-3. LAYOUT DEL EQUIPO PARA PATINES DE TANQUE RECEPTOR DE CONDENSADO
43
Periféricos o Equipos Auxiliares del Generador de Vapor Clayton
Capítulo III
TABLA 2-3. LAYOUT DEL EQUIPO Y DIMENSIONES PARA PATINES DE TANQUE RECEPTOR DE CONDENSADO (REFIÉRASE A LA FIGURA 1-3 PARA EL LAYOUT Y ARTÍCULOS MENCIONADOS)
Modelo Artículo
Layout y Dimensiones
Conexiones Tamaños y Tipos
150-200 BHP
250-350 BHP
400-600 BHP
174 (441.96)
Especificaciones
OL
Longitud total; pulg (cm)
132 (335.28)
128 (325.12)
OW
Ancho total; pulg (cm)
78 (198.12)
90 (228.6)
90 (228.6)
OH
Altura total; pulg (cm)
103.02 (261.67)
131.64 (334.37)
133 (337.82)
97.63 (247.98)
126.43 (321.13)
126.56 (321.46)
A
Altura del drene de sobreflujo; pulg (cm)
B
Elevación del Tanque Receptor; pulg (cm)
C
Salida de agua de alimentación; pulg (cm)
D E F
64.38 (163.53)
93.25 (236.86)
84.25 (214)
57.59 (146.28)
86.39 (219.43)
77.06 (195.73)
Drene; pulg (cm)
62.63 (159.08)
91.25 (231.78)
82.25 (208.92)
Longitud total del Tanque Receptor; pulg (cm)
70.65 (179.45)
94.65 (240.41)
99.5 (252.73)
Armazón de montaje del Tanque elevado; pulg (cm)
34.12 (86.66)
23.21 (58.95)
38.56 (97.94)
G
Armazón de montaje del Tanque elevado; pulg (cm)
41.62 (105.71)
53.62 (136.19)
42.62 (108.25)
H
Armazón de montaje, Patín de Armazón; pulg (cm)
128 (325.12)
124 (314.96)
170 (431.8)
J
Armazón de montaje, Patín de Armazón; pulg (cm)
69.32 (176.07)
81.32 (206.55)
81.32 (206.55)
K
Entrada de agua de reposición; pulg (cm)
18 (45.72)
18.18 (46.18)
23.31 (59.21)
L
Entrada de agua de reposición; pulg (cm)
12.44 (31.6)
13.69 (34.77)
10 (25.4)
Entrada de agua de reposición (FPT); pulg
1-1/2
1-1/2
1-1/2
Drene (FPT); pulg
1-1/2
1-1/2
1-1/2
3
3
4
Retorno de condensado, alta presión; pulg
1-1/2 (FPT)
2 (FPT)
3 (R.F. Brida)
Retorno de condensado, baja presión; pulg
1-1/2 (FPT)
2 (FPT)
4 (R.F. Brida)
3 (FPT)
3 (FPT)
3 (R.F. Brida)
3
3
3
Drene de sobreflujo (FPT); pulg
Salida de agua de alimentación; pulg Venteo (FPT); pulg
PERIFÉRICOS DEL TANQUE DE ALMACENAMIENTO DE AGUA (CONDENSADOS) BOMBA DE REFUERZO Cuando en un sistema abierto, desde un Tanque elevado no se logra alcanzar el NPSH requerido por la Bomba de alimentación de Agua se requieren Bombas de Refuerzo. En la mayoría de las instalaciones con sistemas con deaereador (DA), se requieren bombas de refuerzo. Debido al bajo NPSH característico de estas bombas, son menos sensibles que las bombas de agua Clayton para librar problemas causados por presión de fluctuación en el Deaereador (DA). La mayoría de los sistemas usa dos bombas, (con una usada de reserva) alternando su uso para balancear las horas de operación. El tamaño de las bombas debe ser elegido para proporcionar 125% del total del flujo de agua en el sistema a 125% de la presión total del sistema. La presión total del sistema incluye el NPSH de la bomba de agua más el cálculo de las pérdidas en la tubería. Sólo se deben usar Bombas de Refuerzo con sellos mecánicos que soporten un mínimo de 121 ºC. Las Bombas de Refuerzo no pueden ser ajustadas a una presión de descarga que sea inferior que la presión de operación del sistema.
Aplicaciones 1.
Las bombas de refuerzo deben usarse cuando las cargas siguientes no puedan superarse debido a la elevación del tanque (Tabla 3-3). La distancia es medida desde el nivel normal del agua en el tanque de agua de alimentación, a la entrada del cabezal de la válvula check en la bomba de agua, no al nivel de piso.
44
Capítulo III
Generador de Vapor Clayton/Agua Caliente
2.
Las bombas de refuerzo requieren de un NPSH mínimo para funcionar adecuadamente. (Nominalmente 1.2 m).
3.
En aplicaciones con Deareador, normalmente se requieren bombas de refuerzo. Empero, para instalaciones con un Deareador suficientemente elevado no se requiere. Consulte al fabricante para determinar si requiere una bomba de refuerzo.
MODELO
MÍNIMO NPSH REQUERIDO (SÓLO PARA BOMBAS CLAYTON)
E20
122 cm
4.00 pies
E40
300 cm
9.84 pies
E60
213 cm
6.99 pies
E100
305 cm
10.01 pies
E150
406 cm
13.32 pies
E154
457 cm
14.99 pies
E200
210 cm
6.89 pies
E204
400 cm
13.12 pies
E254
396 cm
12.99 pies
E304
457 cm
14.99 pies
E354
457 cm
14.99 pies
E404
460 cm
15.09 pies
E504
396 cm
12.99 pies
E604
457 cm
14.99 pies
E654
518 cm
16.99 pies
E704
549 cm
18.01 pies
TABLA 3-3
Beneficios 1. 2.
Usando una bomba de refuerzo, el cliente evita el uso de un tanque elevado. El uso de la bomba de refuerzo previene la posible cavitación en la bomba principal de desplazamiento positivo debido al bajo NPSH, y/o fluctuaciones de temperatura/presión en el tanque de condensado.
BOMBA DE TRANSFERENCIA (PARA TANQUE DE AGUA) En sistemas de Tanque de Condensado Semi-Cerrado, la alta descarga de la presión del cabezal de la bomba centrífuga de etapa múltiple puede ser sustituida transfiriendo agua del tanque de condensado de baja presión al tanque SCR presurizado. Para transferir agua desde el tanque de reposición al SCR se requiere una bomba de transferencia al SCR. Esta bomba debe tener una capacidad tal que al menos iguale a la capacidad total de la bomba de agua de alimentación de la caldera. La bomba de reposición debe tener un cabezal de CDT (Carga Dinámica Total) no menor del 25% mayor que la máxima presión de operación del receptor. La descarga de esta bomba debe entrar al SCR debajo del nivel de agua mínimo.
45
Periféricos o Equipos Auxiliares del Generador de Vapor Clayton
N
Capítulo III
OTA: Se debe instalar una válvula check en la línea de descarga de la bomba de reposición tan cerca como sea posible del SCR. Esto evitará la exposición del sello de la bomba a la excesiva temperatura del fluido.
BOMBA DOSIFICADORA La bomba dosificadora es un accesorio que facilita la aplicación de compuestos químicos al tanque de condensados para ayudar a proteger al mismo contra corrosión. Se debe instalar sobre el tanque de reactivos químicos para que bombee el producto químico al tanque de condensados. Las dos líneas de inyección química deben tener instalada una válvula check para evitar la retroalimentación dentro de las bombas dosificadoras. La presión de salida de la bomba dosificadora debe ser mayor que la presión del SCR. De acuerdo a su capacidad, la bomba dosificadora suministrará una cantidad ajustable de reactivos, al tanque de condensados. La cantidad de compuesto a dosificar depende de las características que presente el agua de alimentación, el porcentaje de retorno de condensados del sistema y algunos otros factores variables en cada instalación. Estos parámetros se determinan al efectuar el análisis químico al agua de alimentación, considerando también, las condiciones de operación del equipo. Las bombas dosificadoras están disponibles en control manual y automático. Para mejores informes de qué bomba emplear, consulte a su representante químico. El gasto de la bomba puede estimarse usando la siguiente fórmula:
Gasto de la Bomba Gasto Máximo = x %Velocidad x %Pulso Dosificadora de la Bomba
(4-3)
La dosificación de producto químico depende de las condiciones de operación y es directamente proporcional a las horas de trabajo e inversamente proporcional al porcentaje de retorno de condensados y a la temperatura del agua en el tanque de condensados. Además puede incrementarse o disminuirse de acuerdo a los análisis del agua y recomendaciones de su asesor en tratamiento de agua.
,
OTA: Cuando se dosifique más de un producto químico puede ser necesario utilizar una bomba dosificadora adicional.
N P
RECAUCIÓN: Un suavizador de agua, operado debidamente, evita únicamente incrustación y depósitos de lodos, y no ofrece protección alguna contra la corrosión. Para evitar la corrosión deben mantenerse los valores recomendados de pH y Sulfitos en el agua de alimentación mediante el uso de otros productos químicos.
VÁLVULAS REGULADORAS DE PRESIÓN Reguladores de Contrapresión Los Reguladores de Contrapresión (BPR) en la tubería de descarga del separador, son usados donde los requisitos del sistema pueden exceder la capacidad del generador, donde la carga esté ciclando, como aquéllos creados desde una válvula motorizada de acción rápida o en caso del mal funcionamiento de las trampas del sistema.
46
Capítulo III
Generador de Vapor Clayton/Agua Caliente
En todas las instalaciones Clayton se recomiendan los BPRs. Los BPRs se requieren en Unidades que pueden arrancar remotamente o automáticamente, tal como en los sistemas de Control Maestro Automático (Master Lead-Lag) o en el Control Auxiliar de Presión (Auxiliary Pressure Control). Los BPRs aseguran que se mantenga la presión suficiente (0.21 - 0.35 kg/cm2 por abajo de la presión normal de operación) en el Generador para proteger al Serpentín de Calentamiento de una posible condición de sobrecalentamiento.
Válvula Reguladora de Presión Para mantener una presión predeterminada, se debe instalar una Válvula Reguladora de Presión (PRV) en el SCR. La PRV siente la presión en el SCR e inyecta vapor (sobre el nivel del agua) desde el cabezal en el caso de una reducción en la presión del tanque. La PRV debe ser ajustada a 0.07 – 0.14 kg/cm2 por debajo de la presión normal de operación. La PRV está diseñada para que el flujo sea igual al 25% de la máxima carga de producción de vapor. Si la presión baja, el vapor será perfilado desde el tanque de condensado para otros usos, esta capacidad debe ser considerada cuando se elija el tamaño de la PRV. Para evitar contraflujo en caso de que el tanque de condensado se desborde, entre la PRV y el tanque de condensado se debe instalar una válvula check.
N
OTA: La PRV y el BRP no son optativas. Estos deben ser instalados para asegurar la efectiva y eficiente operación del Sistema Receptor Semi-cerrado Clayton.
VÁLVULA DE ALIVIO Una válvula de seguridad o alivio, es un instrumento diseñado para la protección de cualquier sistema o recipiente presurizado durante cualquier evento de sobre-presión. Una sobre-presión puede deberse a cualquier condición en el sistema o recipiente sujeto a presión más allá de la presión de diseño especificada o la máxima presión del trabajo permitida (MAWP). El SCR debe tener una válvula de alivio de vapor con un ajuste no mayor a la presión de diseño del tanque. Esta válvula debe cumplir con todos los códigos de seguridad y debe ser capaz de aliviar al menos 25% de la capacidad conectada al Generador de Vapor a la presión de operación del SCR. La descarga de esta válvula debe estar conectada a la atmósfera y en una dirección que no cause daño al equipo o al personal.
VÁLVULA CHECK La válvula “Check”, es del tipo de contra flujo es decir, que permite el paso del flujo de agua en una sola dirección, impidiendo cualquier retorno de la misma. Su función es impedir que exista un retorno de agua o vapor.
TUBO INDUCTOR El retorno de condensado de alta presión debe ser inyectado hacia el SCR a través de un tubo inductor. La entrada del tubo inductor debe tener de 8-12 pulgadas debajo del nivel de agua más bajo para que el calor sea transferido desde el condensado al líquido en el SCR con el menor ruido y vibración posible. El retorno de la trampa del Separador Clayton también debe ser conectado en el tubo inductor.
47
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1 2
Anillo del Tubo Inductor Tubo Inductor
3
Capítulo III
Tubo Interno del Inductor
FIGURA 2-3
CONTROL DE NIVEL DE AGUA Para controlar la bomba de agua de reposición se usa un controlador de nivel de líquido, el cual está montado en el tanque de condensado. Este control arranca y para la bomba de agua de reposición tanto como se requiera. La diferencial entre los niveles alto y bajo es muy estrecha (2 a 3 pulgadas). El nivel de agua debe mantenerse aproximadamente a un cuarto de la parte superior del tanque, y a la altura adecuada para que la bomba de agua de alimentación cuente con el NPSH requerido. El control de nivel esta constituido principalmente por los siguientes componentes: • Columna con válvulas de nivel, tubo y conexiones. • Caja con electrodos para el control de nivel acoplado a la columna. • Válvula solenoide 3/4 NPT 120V/60Hz
(Mod. E10/15/20/30/40/60)
• Válvula solenoide 1 NPT 120V/60Hz
(Mod. E100/150/200)
• Relevador Warrick a 115V. Tipo 16 XXX La columna de nivel consta de un tubo de 38mm (1 1/2”) de diámetro y su finalidad es la de eliminar el oleaje que se produce por el retorno de condensados del sistema, el evitar el oleaje ayuda a que el corte eléctrico sea exacto. La caja de electrodos para el control de nivel está formada de una caja de fundición que en su interior tiene dos electrodos que controlan el nivel superior e inferior, estos electrodos están ubicados aproximadamente a la mitad del tanque y tienen un diferencial de 76mm (3”) que operan aproximadamente a la mitad del tanque. La capacidad restante del tanque se aprovecha para almacenar el condensado que retorna del sistema. Cuando se energiza la válvula solenoide, permite el paso del agua al tanque. El relevador Warrick sirve para energizar y desenergizar, y así cerrar y abrir la válvula solenoide, en relación al nivel de condensado que detectan los electrodos de nivel.
48
Capítulo III
Generador de Vapor Clayton/Agua Caliente
1 2
Conjunto Columna de Nivel Relevador Warrick
4 5
Válvula Check de 3/4’’ Válvula Solenoide de 3/4’’
6 7
Válvula Solenoide de 1’’ Cable Automotriz
FIGURA 3-3. INSTALACIÓN DEL CONTROL DE NIVEL DE AGUA
1 2 3 4 5 6 7 8 9
FIGURA 4-3. PARTES DE LA COLUMNA DE NIVEL
49
Cuerpo Columna de Nivel Ensamblado Válvula de Nivel Superior Válvula de Nivel Inferior Caja de Electrodos’ Tapón Cachucha Varilla de Nivel Tubo de Nivel Guarda Nivel Ensamblado Empaque para Tubo de Nivel (no ilustrado)
Periféricos o Equipos Auxiliares del Generador de Vapor Clayton
Capítulo III
1
Empaque para Electrodos Columna de Nivel
2
Tapa para Cabezal de Electrodos
3
Electrodo de Prueba Corto ens.
4
Electrodo de Prueba Largo ens.
FIGURA 5-3. CAJA DE ELECTRODOS ENSAMBLADA
TRAMPA DE VAPOR PARA SISTEMA SCR Para controlar el máximo nivel de agua, se requiere una trampa de vapor para sobreflujo, cuando la cantidad de condensado retornada está por arriba de lo normal. La entrada de la trampa debe tener una pierna colectora1 al menos de ocho (8) pulgadas de largo. La descarga de la trampa debe estar entubada hacia el tanque de reposición.
VENTEO PARA SISTEMA SCR El tanque de condensado debe tener un venteo a la descarga de gases no condensables desde el agua de alimentación. El venteo proporcionado por Clayton a menudo es un orificio de 3/4 de pulgada unido con un orificio de 1/8 de pulgada. Esto continuamente venteará una pequeña cantidad de vapor con los gases.
TANQUE DE REPOSICIÓN PARA SISTEMA SCR Para colectar el condensado de baja presión y el agua de reposición suavizada, se requiere un tanque de reposición. A través de una válvula de control de temperatura, se introduce vapor al tanque de reposición. La temperatura del tanque de reposición se debe mantener entre 88 – 93 ºC. El tamaño del tanque de reposición debe ser elegido para que soporte la carga total del sistema. El tanque de reposición también debe tener suficiente elevación para que proporcione el NPSH requerido para la reposición.
1
Este dispositivo será descrito en la Sección de Instalaciones. 50
Capítulo III
Generador de Vapor Clayton/Agua Caliente
TRATAMIENTO QUÍMICO El Tratamiento Químico del agua de alimentación es inyectado al SCR debajo del nivel de agua. Los químicos para el tratamiento del agua de alimentación también son inyectados al tanque de reposición para ayudar a proteger al mismo contra corrosión. Las dos líneas de inyección química deben tener instalada una válvula check para evitar la retroalimentación dentro de las bombas dosificadoras. La presión de salida de la bomba dosificadora debe ser mayor que la presión del SCR.
TRAMPA SEPARADORA Los Generadores de Vapor Clayton requieren el mismo tratamiento de agua de alimentación básico para la caldera, como cualquier otra caldera de tubos de agua o de tubos de fuego. Todas necesitan agua suave y sin oxígeno disuelto, un acondicionador de lodos, y un moderador para pH alto. El agua de suministro desde el Tanque de Condensado debe estar en estas condiciones. La distinción principal entre un Generador de Vapor Clayton y una caldera de tipo paquete es cómo y dónde se logran los niveles de pH deseados. El agua de alimentación en el Tanque Receptor es agua de caldera para la Clayton pero similar al agua de reposición para la caldera de tipo paquete. Las calderas convencionales concentran el agua de alimentación de la caldera en el depósito y mantienen los niveles de TDS y el pH a través de la purga. Un sistema consistente sólo de Generadores de Vapor Clayton usa el Tanque Receptor del mismo modo que las calderas convencionales usan el depósito excepto que la purga se hace fuera de la descarga de la trampa de vapor. Normalmente, las calderas tipo paquete no pueden soportar los altos niveles de pH que deben ser mantenidos en el Tanque Receptor para satisfacer los requerimientos del agua de alimentación Clayton. Ambos sistemas trabajan bien independientemente, sin embargo surgen problemas con el tratamiento químico del agua de alimentación cuando las dos calderas, Clayton y convencionales, son operadas en conjunto con un tanque receptor en común. La trampa separadora fue diseñada para remediar los problemas de afinidad de calderas. Usar una trampa separadora permite que ambas calderas, Clayton y Convencionales operen juntas mientras comparten el mismo Tanque Receptor. Cada sistema recibe el agua de alimentación tratada adecuadamente para satisfacer los respectivos requerimientos de operación. Si no usa Trampa Separadora, el pH es demasiado alto para la(s) caldera(s) convencional(es) o muy bajo para la(s) Clayton. El retorno de la trampa separadora desde el Generador Clayton contiene una alta concentración de TDS (superior a 8500 ppm). Ésta alta concentración es indeseable para las calderas convencionales porque la carga de purga sería aumentada (las calderas convencionales están limitadas a 3000 ppm o menos) y sería desperdiciada una gran cantidad de agua y de producto químico, por lo tanto, enviando el retorno de la trampa hacia el Separador de la misma, en lugar de al Tanque Receptor, la alta concentración de TDS en el retorno de la trampa es aislada del sistema Clayton. Esto no solo elimina los problemas de purga en las calderas convencionales, sino que también satisface los altos requerimientos de pH del agua de alimentación Clayton. La construcción de una Trampa Separadora es muy similar a la de un Tanque de Purga. El retorno de la trampa separadora entra tangencialmente creando una acción de remolino. El vapor flash es sacado por arriba y el condensado a baja presión es alimentado a la Bomba de Refuerzo desde la salida. Esta relativamente pequeña cantidad de agua concentrada mezclada con el gran volumen de agua de alimentación menos concentrada que está siendo suministrada desde el Tanque Receptor (idealmente, el tratamiento químico para ambos sistemas es inyectado al Tanque de Agua de Alimentación) produce una mezcla de agua de alimentación tratada adecuadamente que entra al Serpentín de Calentamiento Clayton. Las otras calderas reciben el agua de alimentación con el contenido de pH y niveles de TDS que requieren.
51
Periféricos o Equipos Auxiliares del Generador de Vapor Clayton
Capítulo III
VÁLVULA DE PURGA CONTINUA La válvula de purga continua, si se usa, es instalada en la línea de descarga de la trampa. Ésta consiste de una válvula de aguja que es calibrada para tener el porcentaje adecuado de flujo y así mantener el TDS dentro de los parámetros. Refiérase al Dibujo R-16099.
VÁLVULA TERMOSTÁTICA Está basada en la diferencia entre la temperatura del vapor y la del condensado frío, y el aire. El vapor incrementa la presión dentro del elemento termostático, cerrando la trampa. Cuando el condensado y los gases no-condensables se acumulan en el segmento de enfriamiento, la temperatura comienza a disminuir y el elemento termostático se contrae abriéndose la válvula. La cantidad de condensado acumulado a la salida de la trampa depende de las condiciones de operación, del tamaño de tubería y la presión de vapor. Estas trampas pueden ser usadas para purgar aire en un sistema de vapor. Cuando el aire se acumula, la temperatura disminuye y el purgador termostático automáticamente descarga el aire a una temperatura ligeramente menor que la temperatura del vapor en todo el rango de presiones de operación.
CONTROL AUTOMÁTICO DE TDS (SÓLIDOS DISUELTOS TOTALES) Los sólidos disueltos totales pueden ser controlados automáticamente. Esto se logra instalando un sensor (conductividad) de TDS en la línea de agua de alimentación, éste está conectado al control Maestro de la Caldera Clayton que, a su vez, controla una válvula de vaciado instalada en la línea de descarga de la trampa. La descarga desde la válvula de vaciado está entonces conectada al tanque de purga. Refiérase al Dibujo R-16099. Aún se requiere la prueba del Agua de Alimentación por el Manual Clayton de Agua de Alimentación.
DETERMINACIÓN DE CARGAS DE CONDENSADOS La carga de condensados en un periodo relativamente largo de tiempo, puede ser determinada usualmente, a partir de los consumos de vapor de los equipos a ser drenados. Sin embargo, la carga real instantánea puede ser mucho mayor que el consumo de los equipos. Por ejemplo, al usar una trampa de cubeta invertida, cuando ésta abre, descarga al régimen de la misma. Este régimen de descarga, está fijado por la construcción de la trampa y es independiente del régimen de condensación del equipo drenado. Cuando se instalan varias trampas de este tipo descargando a una línea de retorno común es poco probable que todas ellas descarguen al mismo tiempo. El número de ellas que descargará simultáneamente es ampliamente dependiente de la carga de condensación de cada trampa en particular. Pueden hacerse algunas suposiciones en relación al porcentaje de trampas que descargarán simultáneamente. Si las trampas están operando a una carga relativamente ligera, puede que un 20% estará descargando simultáneamente; si la carga es la de tipo mediano, puede suponerse un 40% y en cargas muy pesadas, será un 60 o 70%. Así entonces, se deberá tomar la capacidad nominal de las trampas y multiplicarla por el número de trampas que estarán descargando en forma simultánea para determinar la carga real de condensados. La única situación en que puede suponerse que la carga de condensados estará determinada por el régimen de condensación de los equipos a drenarse, es cuando el equipo será drenado por trampas de tipo modulante, como por ejemplo Trampas de Flotador y Termostáticas.
52
Capítulo III
Generador de Vapor Clayton/Agua Caliente
CÁLCULO DE RETORNO DE CONDENSADOS Cuando la carga de condensado normal no es conocida, la carga puede ser determinada aproximadamente mediante el uso de las siguientes fórmulas de cálculo.
Calentamiento de Agua con Vapor:
kg de condensado LPM = x Aumento de temperatur a en °C hora 2
(5-3)
Calentamiento de aire con serpentines de vapor: kg de condensado m 3 /min = x Aumento de temperatur a en °C hora 900
(6-3)
Radiación de vapor: 2 kd de condensado m 2 x EDR = hora 4
(7-3)
Aplicaciones Especiales Esterilizadores, autoclaves, retortas de calentamiento de materiales sólidos: kg de condensado W x Cp x Δ T = hora hg x t
(8-3)
Donde: W = Peso de material (kg). Cp = Calor específico del material (kcal/kg°C). ∆T = Aumento de temperatura del material °C. hg = Calor latente del vapor kcal/kg t = Tiempo en horas. (La carga de condensado para calentar el equipo deberá ser agregada a la carga de condensado para el calentamiento del material. Usando la misma fórmula.)
Calentamiento de líquidos en marmitas y chaquetas de vapor:
kg de condensado G x ρ x Cp x Δ T x 8.3 = hora hg x t
(9-3)
Donde: G = Volumen del líquido por calentar (L). ρ = Densidad relativa del líquido (kg/m3). Cp = Calor específico del líquido (kcal/kg°C). ∆T= Aumento de temperatura del líquido (°C). 2
Caballo Caldera – Potencia necesaria para convertir 15.65 kg de agua por hora a 100°C, en vapor a 100°C. Equivale a un calor cedido de 8436 kcal/h, que es aproximadamente igual a 13 m2 de radiación de vapor (EDR). 53
Periféricos o Equipos Auxiliares del Generador de Vapor Clayton
Capítulo III
hg = Calor latente del vapor (kcal/kg). t = Tiempo en horas.
Secadores o Evaporadores con Chaquetas de Vapor:
kg de condensado 100 (Wi - Wf) + Wi x Δ T = hora hg
(10-3)
Donde: Wi = Peso inicial del material (kg/h). Wf = Peso final del material (kg/h). ∆T = Aumento de temperatura en °C. hg = Calor latente de vapor (kcal/kg).
Calentamiento de Aire con Vapor: Tuberías de serpentines y radiación: kg de condensado A x U x Δ T = hora hg Donde:
(11-3)
2 A = Área de la superficie de calentamiento (m ). 2 U = Coeficiente de transferencia de calor (para convección natural) (kcal/h°C m ).
∆T = Temperatura del vapor menos la temperatura del aire (°C). hg = Calor latente del vapor (kcal/kg).
EFICIENCIA EN FUNCIÓN DEL DIFERENCIAL DE TEMPERATURA PARA GENERADORES DE AGUA CALIENTE Por lo general nos preguntamos, ¿cuándo un sistema es más eficiente?, cuando el diferencial de temperatura existente entre la entrada y la salida tiende a cero, o cuando éste es de cierta magnitud. La respuesta depende de muchos factores. Si bien por un lado estamos acostumbrados a pensar que mientras mayor sea éste diferencial (o tirante térmico como algunos le conocen), se dispone de más energía (Gráfico 1-3), esto no funciona igual para la eficiencia.
Energía Disponible h (kcal/kg) 160 140 120 100 80 60 40 20 0 10
20
30
40
50
60
70
80
90
100
110
120
130
140
T (°C)
GRÁFICO 1-3. ENTALPÍA EN FUNCIÓN DE LA TEMPERATURA, PARA AGUA SATURADA
54
Capítulo III
Generador de Vapor Clayton/Agua Caliente
Matemáticamente hablando, la eficiencia es:
η=
Q Q ABSORBIDO Q TOTAL − Q PÉRDIDAS = = 1 − PÉRDIDAS Q TOTAL Q TOTAL Q TOTAL
(12-3)
Como puede observar, en términos generales, la eficiencia se puede medir dividiendo el calor absorbido (vapor generado) entre el calor suministrado (combustible consumido), donde el calor absorbido a su vez, es el calor total menos el calor debido a pérdidas. El calor total se calcula a partir de:
Q TOTAL = PCS C • WC
(13-3)
Donde: PCSC = Poder Calorífico Superior del Combustible WC = Consumo de Combustible El calor debido a pérdidas se debe a: • • • • •
Agua procedente de la combustión del hidrógeno. Humedad en el aire. Gases secos de la chimenea. Combustión incompleta. Hidrógeno o hidrocarburos sin quemar, radiación y otras pérdidas.
Agua procedente de la combustión del hidrógeno
El hidrógeno del combustible al quemarse se transforma en agua, el cual abandona la caldera constituyendo parte de los gases de combustión, en forma de vapor recalentado.
P1 = 9H 2 (h g − h f )
(14-3)
Donde: P1 = Pérdidas de calor en kcal por kg de combustible quemado H2 = peso en kg de H2 por kg de combustible quemado hg = Entalpía del vapor recalentado a la Temperatura de los gases de chimenea y a una presión absoluta de 0.07 kg/cm2, en kcal/kg hf = Entalpía del agua a la temperatura a la cual el combustible entra, en kcal/kg Humedad en el aire
P2 = 0.46 m as m v (Tg − Ta )
(15-3)
Donde: P2 = Pérdidas de calor, en kcal por kg de combustible quemado mv = Porcentaje de saturación expresado en forma decimal multiplicado por el peso de vapor de agua requerido para saturar 1 kg de aire mas = Peso real de aire seco utilizado por kilogramo de combustible Tg = Temperatura de los gases de combustión a la salida de la caldera en °C 0.46 = Calor específico medio del vapor de agua desde Tg a Ta Ta = Temperatura del aire al entrar al hogar de la caldera en °C Gases de la chimenea secos
P3 = m gs Cp gs (Tg − Ta ) 55
(16-3)
Periféricos o Equipos Auxiliares del Generador de Vapor Clayton
Capítulo III
Donde: P3 = Pérdidas de calor, en kcal por kg de combustible quemado mgs =peso de los gases secos a la salida de la caldera en kg, por kg de combustible quemado. Cpgs = Calor específico medio de los gases secos (valor aprox. = 0.24) Combustión incompleta
Esta pérdida generalmente es pequeña y es debido a que no se suministra la cantidad suficiente de aire, lo cual da como resultado que parte del carbono combustible forme monóxido de carbono.
⎞ ⎛ CO ⎟⎟ 5,689.6 C1 P4 = ⎜⎜ ⎝ CO 2 + CO ⎠
(17-3)
Donde: P4 = Pérdidas de calor, en kcal por kg de combustible tal como se quema CO y CO2 = Porcentaje en volumen respectivamente de Monóxido y Bióxido de Carbono determinado por análisis de los gases de chimenea. C1 = peso del Carbono realmente quemado por kilogramo de combustible
Radiación
En un Generador de Vapor de tubos de agua, las pérdidas por radiación pueden ser controladas con el uso de aislantes térmicos, hasta hacerse prácticamente despreciables, sin embargo, no dejan de existir. Por lo general el fabricante del equipo proporciona dicho dato, o bien se calcula a partir de la Ley de Stefan-Boltzmann que hace referencia a la cantidad de energía radiante emitida o calor radiado por un cuerpo. De acuerdo con esta ley dicho calor radiado es proporcional a su temperatura absoluta elevada a la cuarta potencia:
P5 = αK B AT 4
(18-3)
Donde: α = Coeficiente que depende de la naturaleza del cuerpo, α = 1 para un cuerpo negro perfecto. A = Área de la superficie que radia KB = Constante de Stefan-Boltzmann con un valor de 5.67x10-8 W/m2K4 T = Temperatura del cuerpo Ejemplo: Considere un Generador de Vapor Clayton de 100 BHP, que quema Diesel con un 20% de exceso de aire, el análisis de gases de chimenea determina un 12% de CO2 y 0.0173% de CO, temperatura de chimenea 200°C, temperatura del aire de alimentación 20°C, presión de vapor 7 kg/cm2, 70% de humedad relativa del aire. Solución:
PCS del Diesel = 9,920 kcal/kg
P1 = 9H 2 (h g − h f ) Donde: H2 = 15% hg = 687.79 kcal/kg hf = 20 kcal/kg P1 = 9(0.15) X (687.79 – 20) = 901.52 kcal/kg
56
Capítulo III
Generador de Vapor Clayton/Agua Caliente
P2 = 0.46 m as m v (Tg − Ta ) Donde: mas = 11.5 C + 34.5 (H – 1/8 O) + 4.32 H = 11.5 (0.85) + 34.5 (0.15)=14.95 kgaire/kgcomb
mas = 1.2 X 14.95 = 17.94 kgaire/kgcomb P2 = 0.46 (17.94) (0.7 X 0.01847) (200– 20) = 19.21 kcal/kg
P3 = m gs Cp gs (Tg − Ta ) ⎛ 4CO 2 + O 2 + 700 ⎞ ⎛ 4 * 12 + 5 + 700 ⎞ ⎟⎟ = 0.85⎜⎜ ⎟⎟ = 17.75 kg/kgcomb ⎝ 3 * (12 + 0.0173) ⎠ ⎝ 3(CO 2 + CO) ⎠
Donde: m gs = %C f ⎜⎜
P3 = 17.75 X 0.24 (200 – 20) = 766.95 kcal/kg
⎛ 0.0173 ⎞ P4 = ⎜ ⎟5,689.6 * 0.85 = 6.92 kcal/kg ⎝ 12 + 0.0173 ⎠ P4 = 6.92 kcal/kg
P5 = αK B AT 4 α = 0.8 A = 21 m2 T = 60°C = 333.15 K
⎛ 5.67x10 -8 W ⎞ ⎟⎟(21 m 2 )(333.15K) 4 = 11734.14 W P5 = 0.8⎜⎜ 2 4 ⎠ ⎝ m K La caldera está radiando a medida que consume combustible, por lo que el cálculo de pérdidas de radiación se hace en función del combustible consumido por unidad de tiempo, para el caso de pérdidas por radiación, considere un consumo de combustible de 70 kg/h.
P5 =
11,734.14 J ⎛ h ⎞⎛ 60 min ⎞⎛ 60 s ⎞⎛ 0.000239 kcal ⎞ ⎜⎜ ⎟⎟⎜ ⎟⎜ ⎟⎜ ⎟ s 1J ⎠ ⎝ 70 kg ⎠⎝ 1 h ⎠⎝ 1 min ⎠⎝ P5 = 144.23 kcal/kg
Resumiendo: CONCEPTO
P1 P2 P3 P4 P5
Hidrógeno en el combustible Humedad del aire Gases de chimenea Combustión incompleta Pérdidas por radiación Pérdidas Totales
kcal/kg
Porcentaje
901.52 19.21 766.95 6.92 144.23 1,838.83
9.09 0.19 7.73 0.07 1.45 18.53
TABLA 4-3. PÉRDIDAS DE CALOR EN UN GENERADOR DE AGUA CALIENTE
57
Periféricos o Equipos Auxiliares del Generador de Vapor Clayton
Capítulo III
Por lo tanto se tiene que:
Q TOTAL =
9,920 kcal kg de combustible
Por lo que la eficiencia para este sistema resulta ser:
η = 1−
Q PÉRDIDAS Q TOTAL
= 1−
1,838.83 kcal/kg = 0.8146 9,920 kcal/kg
Si analiza detenidamente las ecuaciones desde P1… P5, podrá observar que una de las opciones para disminuir las pérdidas de calor, y por consiguiente aumentar la eficiencia del sistema, es disminuir la temperatura de chimenea. Como es bien sabido, a menor temperatura de los gases de chimenea, hay un mejor aprovechamiento del combustible empleado y por consiguiente una mayor eficiencia del sistema, esto puede verse en la Tabla 5-3, y en el Gráfico 2-3. Tchimenea (°C)
Eficiencia
300 250 200 190 180 170 160 150 140 80 20
76.10 78.63 81.46 81.67 82.17 82.68 83.19 83.69 84.19 95.83 98.48
TABLA 5-3. EFICIENCIA EN FUNCIÓN DE LA TEMPERATURA DE CHIMENEA
100 90
Eficiencia (%)
80 70 60 50 40 30 20 10 0 400
290
270
250
230
210
190
170
150
80
73
T(°C)
GRÁFICO 2-3. EFICIENCIA EN FUNCIÓN DE LA TEMPERATURA DE CHIMENEA
58
Capítulo III
Generador de Vapor Clayton/Agua Caliente
Tanto del Tabla 5-3 como del Gráfico correspondiente se observa que al disminuir la temperatura de chimenea y por consiguiente, las pérdidas de calor, el valor de la eficiencia va en aumento. Con este hecho, cualquiera pensaría en sacar dichos gases a una menor temperatura pero existe la limitante de que por debajo de 140°C, los gases de combustión empiezan a condensar. Así, la temperatura de estos no puede ser inferior a la citada, ya que dicha condensación causa corrosión en la chimenea. Para estos casos se recomienda una Caldera de Condensación. Una Caldera de condensación es un artefacto que produce agua caliente aprovechando el calor cedido por la condensación del agua procedente de los gases de combustión, es decir P1, el cual comprende el 48.58% del calor total perdido (Tabla 4-3). Como se sabe, los hidrocarburos generalmente utilizados como combustibles (gas natural, GLP, gasóleo) están compuestos de carbono e hidrógeno en diversas proporciones que al combinarse con el oxígeno del aire, forman respectivamente dióxido de carbono (CO2) y agua (H2O). Cada litro de agua en forma de vapor tendría capacidad para ceder 540 kcal si se condensase a 100°C y presión atmosférica, energía térmica que, en estas calderas, se envía a la atmósfera. Además, los combustibles, especialmente los líquidos, tienen algunas impurezas, como el azufre que forma óxidos de azufre al combinarse con el oxígeno atmosférico. En las calderas comunes, estos gases procedentes de la combustión, se expulsan a temperaturas superiores a 200°C y a una presión inferior a la atmosférica para conseguir tiro térmico y para evitar que el agua condense y forme ácidos al combinarse con los óxidos de azufre y bióxido de carbono, que corroerían sus partes metálicas. Sin embargo, en las calderas de condensación, debido a su diseño, los gases de combustión se pueden evacuar a temperaturas inferiores a las de condensación, lo que reduce el tiro térmico del conducto de gases y hace necesario utilizar un ventilador. El rendimiento de estas calderas resulta ser superior al 100% lo que puede resultar contradictorio, pero que es cierto. Lo que ocurre es que al emplear el poder calorífico inferior, no se considera el agua contenida en el combustible y así hábilmente se obtiene una eficiencia mayor. Lo correcto, es emplear el poder calorífico superior (teniendo en cuenta el calor latente del agua), por supuesto, el rendimiento es inferior, pero cercano al 100%.
TANQUE DE “FLASHEO” La temperatura del condensado en un sistema de alta presión usualmente es ligeramente menor que la temperatura de saturación del vapor de alta presión. Cuando este condensado caliente se descarga a una zona de menor presión, su temperatura cae inmediatamente a la temperatura de saturación de la zona de baja presión. El calor liberado durante esta disminución de la temperatura evapora una parte del condensado produciendo "Vapor de Flash" o simplemente "flash". La importancia del vapor flash radica en que guarda unidades de calor o energía que pueden ser aprovechadas para una operación más económica de la planta. De lo contrario ésta energía es desperdiciada. El vapor de flash, al igual que el vapor de agua, es una mezcla de agua y vapor, por lo que para bombearlo de regreso al generador o para descargarlo a un drenaje, será necesario separarlo. Esto se realiza descargando el condensado a través de trampa de vapor en un tanque venteado, comúnmente denominado "tanque de flasheo". El vapor de Flash generado en el tanque de flash, puede ser venteado a la atmósfera o preferentemente descargado a una línea de vapor de baja presión donde puede ser aprovechado nuevamente. El condensado remanente puede entonces ser enviado al generador o descargado a
59
Periféricos o Equipos Auxiliares del Generador de Vapor Clayton
Capítulo III
un drenaje. El tanque deberá ser lo suficientemente grande, para asegurar un vapor seco e impedir arrastres de gotas de agua por el vapor. En caso necesario se podrá instalar un separador en la línea de descarga del mismo.
UTILIZACIÓN DEL VAPOR FLASH
Si se desea utilizar el vapor de flash en una línea de vapor de baja presión, será necesario dimensionar adecuadamente la línea que conecte el tanque flash a la línea de vapor de baja presión.
TANQUES DE “FLASHEO” INSTALADOS DONDE LA DESCARGA DE VENTEO ESTÁ DENTRO DE UN ESPACIO RESTRINGIDO Y DONDE EL CONDENSADO DEBE SER ENFRIADO POR DEBAJO DEL PUNTO DE ROCÍO
Cuando la descarga de la línea de venteo no puede ser extendida hacia afuera de las instalaciones y tiene que hacerse dentro de un cuarto de máquinas o túnel de tuberías, es imperativo enfriar el condensado por debajo del punto de rocío para prevenir el escape de condensados. Produciéndose humedecimiento de paredes, máquinas, pisos, etc. El punto de rocío depende de diversos factores (temperatura, humedad relativa, etc.), de los cuales todos Son Variables. La temperatura a la cual el condensado debe ser enfriado deberá ser estimada para cada caso individual.
FIGURA 5-4. INSTALACIÓN TÍPICA. TANQUE FLASH DESCARGA DEL FLASHEO A UN SISTEMA DE BAJA PRESIÓN
60
Capítulo III
Generador de Vapor Clayton/Agua Caliente
La temperatura a la cual el condensado deber ser enfriado deberá ser estimada para cada caso individual. El procedimiento recomendable a seguir es: 1. Calcular las dimensiones del tanque flash. 2. Estimar el punto de rocío, para las condiciones más desfavorables. 3. Enseguida, determinar el punto de rocío y estimar la cantidad de agua de enfriamiento requerida. 4. Determinar las dimensiones de la tubería y de la válvula reguladora de temperatura requerida.
DISEÑO DE UN TANQUE FLASH
Para un tanque de flash horizontal cilíndrico, el área se encuentra multiplicando su diámetro por su longitud, esto es una medida de su capacidad para manejar condensado. La tabla 6-3 muestra el área requerida por cada 454 kg de condensado por hora para diferentes presiones de vapor y presiones en el tanque de flash.
PRESIÓN DEL VAPOR kg/cm2 man.
PRESIÓN DEL TANQUE FLASH 2
kg/cm man. 0.00
0.14
0.35
0.70
1.05
1.41
2.11
2.81
4.22
5.62
7.03
28.12
5026.05 4366.44 3613.93 2796.38 2266.83 1885.93 1384.26 1068.38
715.35
520.26
390.19
24.61
3846.19 4134.19 3400.25 2638.45 2118.19 1774.45 1282.06
994.06
650.32
473.81
343.74
21.09
4515.09 3855.48 3177.28 2434.06 1960.25 1625.80 1170.58
891.87
576.00
408.77
288.00
17.58
4097.02 3548.90 2898.57 2220.38 1774.45 1449.29 1031.22
789.68
483.10
343.74
232.26
14.06
3697.54 3158.70 2601.29 1969.54 1560.77 1272.77
901.16
668.90
399.48
260.13
167.23
12.30
3483.86 2972.90 2424.77 1811.61 1458.58 1170.58
808.26
594.58
353.03
213.68
139.35
11.25
3344.51 2861.41 2322.58 1728.00 1356.38 1105.55
743.22
548.13
315.87
195.10
111.48
10.55
3233.03 2768.51 2238.96 1672.25 1300.64 1059.09
715.35
520.26
288.00
176.52
92.90
9.84
3121.54 2657.03 2146.06 1597.93 1254.19 1003.35
668.90
483.10
269.42
148.64
74.32
9.14
3010.06 2564.12 2071.74 1532.90 1198.45
947.61
622.45
455.22
241.55
130.06
65.03
8.44
2898.57 2461.93 1997.42 1458.58 1133.42
901.16
594.58
408.77
213.68
111.48
37.16
7.73
2777.80 2341.16 1904.51 1393.55 1068.38
845.42
538.84
371.61
185.81
83.61
18.58
7.03
2647.74 2238.96 1783.74 1300.64
994.06
789.68
492.39
334.45
148.64
55.74
6.33
2489.80 2099.61 1681.55 1207.74
919.74
715.35
445.93
288.00
120.77
46.45
5.62
2341.16 1969.54 1551.48 1096.26
836.13
631.74
390.19
232.26
83.61
4.92
2173.93 1811.61 1440.00 1003.35
752.51
566.71
325.16
185.81
37.16
4.22
1988.13 1644.38 1291.35
891.87
650.32
483.10
250.84
130.06
3.52
1802.32 1477.16 1133.42
752.51
538.84
380.90
185.81
74.32
2.81
1560.77 1263.48
947.61
622.45
408.77
278.71
102.19
2.11
1300.64 1021.93
752.51
464.52
269.42
148.64
1.41
984.77
752.51
510.97
260.13
111.48
0.84
696.77
445.93
260.13
0.70
576.00
390.19
213.68
TABLA 6-3. ÁREA DE TANQUES FLASH EN cm2 = DIÁMETRO X LONGITUD HORIZONTAL DEL TANQUE PARA 45 kg/h DE RETORNO DE CONDENSADOS
61
Periféricos o Equipos Auxiliares del Generador de Vapor Clayton
ÁREA *
Capítulo III
TAMAÑO DE TUBERÍA DE VENTEO
2
2
m
pulg
m
pulgadas
Menor que 0.3
Menor que 3.2
0.0254
1
0.3 a 0.5
3.2 a 5.5
0.0318
1 1/4
0.5 a 0.7
5.5 a 7.4
0.0381
1 1/2
0.7 a 1.1
7.4 a 12.0
0.0508
2
1.1 a 1.6
12.0 a 17.5
0.0635
2 1/2
1.6 a 2.5
17.5 a 27
0.0762
3
2.5 a 3.3
27 a 36
0.0889
3 1/2
3.3 a 4.4
36 a 47
0.1016
4
4.4 a 6.8
47 a 73
0.1270
5
6.8 a 10.1
73 a 106
0.1524
6
10.1 a 13.0
106 a 140
0.1778
7
13.0 a 17.2
140 a 185
0.2032
8
17.2 a 27.9
185 a 300
0.2540
10
27.9 a 39.0
300 a 420
0.3048
12
* Área en m2 (pulg2) igual al diámetro del tanque (en m/pulg) multiplicado por la longitud del mismo (en m/pulg) TABLA 7-3. TAMAÑO LÍNEAS DE VENTEO PARA TANQUES FLASH HORIZONTALES
PRESIÓN DEL VAPOR kg/cm2 man.
PRESIÓN EN EL TANQUE FLASH 2
kg/cm man
0.00
0.14
0.35
0.35
1.7
1.0
0
0.70
1.05
1.41
2.11
2.81
0.70
2.9
2.2
1.4
0
1.05
4.0
3.2
2.4
1.1
0
1.41
4.9
4.2
3.4
2.1
1.1
0
2.11
6.5
5.8
5.0
3.8
2.6
1.7
0
2.81
7.8
7.1
6.4
5.1
4.0
3.1
1.3
0
4.22
10.0
9.3
8.6
7.3
6.3
5.4
3.6
2.2
4.22
5.62
7.03
0
5.62
11.7
11.1
10.3
9.0
8.1
7.1
5.5
4.0
1.9
0
7.03
13.3
12.6
11.8
10.6
9.7
8.8
7.0
5.7
3.5
1.7
0
8.79
14.8
14.2
13.4
12.2
11.3
10.3
8.6
7.4
5.2
3.4
1.8
11.25
16.8
16.2
15.4
14.1
13.2
12.4
10.6
9.5
7.4
5.6
4.0
14.06
18.6
18.0
17.3
16.1
15.2
14.3
12.8
11.5
9.3
7.5
5.9
17.58
20.6
20.0
19.3
18.1
17.2
16.3
14.3
13.6
11.2
9.8
8.2
21.09
22.7
21.8
21.1
19.9
19.0
18.2
16.7
15.4
13.4
11.8
10.1
24.61
24.0
23.3
22.6
21.6
20.5
19.8
18.3
17.2
15.1
13.5
11.9
28.12
25.3
24.7
24.0
22.9
22.0
21.1
19.7
28.5
16.5
15.0
13.4
TABLA 8-3. PORCENTAJE DE VAPOR FLASH
62
Capítulo III
Generador de Vapor Clayton/Agua Caliente
CÁLCULO DE LAS DIMENSIONES DEL TANQUE FLASH Datos necesarios:
• Carga de condensados en kg/h. • Forma de venteo del tanque (a la atmósfera o en algún sitio cerrado) esto determinará la presión en el tanque. • Presión del vapor en kg/cm2 man. Utilice la Tabla 6-3 y con el valor de la presión del vapor y la presión en el tanque obtenga el área requerida por cada 454 kg/h de condensado. De acuerdo a la carga real de condensado que se tenga, se obtendrá el área total del tanque y de sus dimensiones. Matemáticamente. Área Total del Tanque Flash =
área del tanque x carga de condensado 454 kg/h
(19-3)
Si el vapor de flash va a ser descargado a la atmósfera, deberá proveerse una línea de tamaño adecuado. Para la determinación de las dimensiones de la línea de venteo es necesario determinar antes el área del tanque.
EJEMPLO 1: Si cierta maquinaria condensa 6804 kg/h de vapor y se requiere un tanque flash venteado a la atmósfera ¿Cual será el tamaño del tanque, si la presión del vapor es de 1.4 kg/cm2?. ¿Cual será el tamaño de la línea de venteo?
De acuerdo a la Tabla 6-3 con la presión de 1.4 kg/cm2 y si el tanque está venteado a la atmósfera, entonces la presión considerada en él es de 0 kg/cm2. Así se obtendrá que se requiere un área de 984.8 m2 por cada 454 kg/h. de condensado. Si se tienen 6804 kg/h de condensado el área total del tanque flash es. 984.8 cm 2 x 6804 kg/h = 14758.6 cm 2 = 1.48 m 2 454 kg/h Es decir, el diámetro del tanque en m por su longitud en m debe ser igual a 1.48 m2. Si el área del tanque flash es de 1.48 m2 entonces, de acuerdo a la Tabla 7-3 el tamaño de la línea de venteo requerida es de 6.35 cm o bien, de 2 1/2 pulgadas.
CÁLCULO DEL TAMAÑO DE LA LÍNEA DE VENTEO
Con la Tabla 7-3 y a partir del área del tanque se obtendrán directamente las dimensiones de la línea de venteo.
CÁLCULO DEL TAMAÑO DE LA LÍNEA DE CONEXIÓN PARA EL USO DEL VAPOR FLASH a.
Con la Tabla 8-3 determine el porcentaje de flash, formado.
63
Periféricos o Equipos Auxiliares del Generador de Vapor Clayton
b.
Determine los kg/h de vapor flasheado. % de Flash x Carga de Condensado s (kg/h) kg = de vapor flasheado 100 h
c.
Capítulo III
(20-3)
Determine la velocidad del vapor.
Esta dependerá del nivel de ruido permisible, a partir de: • Bajo nivel de ruido = 20 a 30 m/s. • Alto nivel de ruido = Hasta 60 m/s. Y con la Gráfica 2 (Apéndice A1), se obtendrán directamente las dimensiones de la línea de conexión. (O cualquier otro de los incluidos en este manual).
EJEMPLO 2: Una maquinaria operando a 7 kg/cm2 man condensa 9072 kg/h de vapor. Si el tanque flash descarga a una línea de 0.7 kg/cm2.
• Encuentre el tamaño del tanque. • Determine el tamaño de la tubería que conectará el tanque flash a la línea de baja presión, si se desea bajo nivel de ruido. De acuerdo a la Tabla 6-3 con la presión de operación de 7 kg/cm2 man y 0.7 kg/cm2 de descarga, se encuentra que se requieren 1301 cm2 para cada 454 kg/h de condensado. Si se tiene una carga de condensado de 9072 kg/h entonces el área total del tanque es: 1301 x 9072 = 25997 cm 2 = 2.6 m 2 454
Un tanque de 1.2 m de diámetro por 2.2 m de longitud será satisfactorio. Ahora, de acuerdo a la Tabla 7-3 con la presión de operación de 7 kg/cm2 man y con la descarga de 0.7 kg/cm2, se tiene que se formará un 10.6% de flash, es decir: 9072 x 10.6 962 kg = de vapor flash 100 h
Finalmente de acuerdo la Gráfica 2 con el dato de 962 kg/h y la presión de 0.7 kg/cm2, se encuentra su punto de intersección y moviéndose verticalmente hacia arriba, se ve que una línea de 6 pulgadas (152 mm) que dará una velocidad de alrededor de 914 m/min. O una línea de 6 pulgadas (127 mm), la que proporcionará una velocidad de 1250 m/min aproximadamente, quedando ambos valores dentro de los valores permisibles.
CÁLCULO DE LA CANTIDAD DE AGUA DE ENFRIAMIENTO REQUERIDA PARA ENFRIAR EL CONDENSADO EN UN TANQUE FLASH VENTEADO DENTRO DE UN LOCAL CERRADO Datos necesarios:
•
Presión del vapor.
•
Flujo de condensado al tanque en kg/h y su temperatura.
•
Temperatura ambiente del local dentro del cual está la descarga de venteo.
•
Temperatura ambiente del agua.
•
Porcentaje de humedad relativa. 64
Capítulo III
Generador de Vapor Clayton/Agua Caliente
Entonces:
Obtenga del punto de rocío (esto del diagrama psicrométrico). A partir de las temperaturas del condensado a la entrada del tanque y del punto de rocío (Dando 1°C de margen por seguridad). Calcule el calor que va a ser extraído.
⎡ kg ⎤ ⎡ kcal ⎤ ⎛ kcal ⎞ Carga de Condensado ⎢ ⎥ Cp ⎢ x Δ T [°C] = Calor que va a ser extraído ⎜ ⎟ ⎥ ⎣ h ⎦ ⎣ kg°C ⎦ ⎝ h ⎠ Cantidad de agua de enfriamiento requerida Calor por extraerse = Cantidad de agua en kg/h Temp de condensaci ón − Temp ambiente del agua
(21-3)
EJEMPLO 3: Calcule la cantidad de agua de enfriamiento requerida para enfriar el condensado en un tanque venteado dentro de un local cerrado de acuerdo a los siguientes datos.
Presión del vapor 7 kg/cm2 man. Flujo de condensado en el tanque 680 kg/h a 168°C. Temperatura ambiente del local dentro del cual va a descargarse la línea de venteo 24°C. Temperatura ambiente del agua 10°C. Arbitrariamente se asume que la ventilación (arriba de la temperatura) será suficiente no teniendo más que 70% de humedad relativa, el punto de condensación o de rocío será 18°C (esto del diagrama psicrométrico). El condensado deberá ser enfriado a partir de 169°C a 17.5°C permitiendo por seguridad 1°C. Cuando la instalación está terminada, lejanamente un ajuste es fácilmente obtenido por reajuste del regulador. El calor extraído a partir del condensado es igual a: 680 kg ⎛ 1 kcal ⎞ 103020 kcal ⎜⎜ ⎟⎟ (169°C − 17.5°C) = h ⎝ kg°C ⎠ h
Cantidad de agua de enfriamiento requerida. 13736 kg 103020 kcal/h = h ⎛ 1kcal ⎞ ⎟⎟ (17.5 − 10)°C⎜⎜ ⎝ kg°C ⎠
Se recomienda una tubería de suministro de agua de 10 pulgadas (25 cm) y una válvula reguladora de temperatura.
TANQUE DE PURGAS El tanque de purgas está disponible en una variedad de tamaños para el adecuado enfriamiento de la purga del Generador de Vapor y el agua sucia. La parte superior del tanque es venteada para evitar el vapor flash e incluye una válvula automática de agua de enfriamiento en la salida de la tubería para controlar la temperatura de descarga. El Tanque de Purgas Clayton tiene el tamaño adecuado para reducir la purga a menos de 60°C antes de ser enviada al sistema de drenaje. Algunas localizaciones requieren tener un tamaño especial más allá del requerido normalmente. Los tamaños estándar de los tanques de purga son:
65
Periféricos o Equipos Auxiliares del Generador de Vapor Clayton
TAMAÑO
LITROS
MODELOS USADOS
0.30 m diámetro x 0.80 m altura 0.46 m diámetro x 1.12 m altura 0.46 m diámetro x 1.34 m altura
42 133 144
E16 a E125 E150 a E304 E354 a E604
Capítulo III
TABLA 9-3
SISTEMA(S) DE PURGA
Los Generadores de Vapor Clayton usan generalmente dos tipos de sistemas de purga. El primero es la “purga continua” (CBB), que consiste de una válvula de cierre, un filtro y una válvula de aguja manualmente ajustable que está instalada en la línea de retorno de la trampa del generador. Cada vez que abre la trampa en el separador de vapor, la CBB dirige una pequeña porción del retorno de la trampa al drene para mantener un nivel aceptable de TDS en el tanque receptor. El segundo tipo de sistema es un “controlador automático de TDS” con una válvula de descarga activada por solenoide. Este sistema monitorea el nivel real de TDS del agua de alimentación entrante y abre la válvula de descarga cuando el punto de ajuste establecido por el cliente excede la descarga de la trampa de vapor en la válvula de la tubería. Normalmente en una instalación de una unidad múltiple con condiciones de fluctuación de carga, se usa un solo sistema automático de TDS. Todas las líneas de purgas como son las de la columna de nivel de agua, drenaje del inyector de agua y purgas de fondo, se deben descargar a un tanque de purgas con derrame al drenaje y un amplio tubo de ventilación conectado a la atmósfera o en su defecto a una fosa de mampostería, la cual debe contar con derrame al drenaje, tubo de ventilación y agujero para inspección y limpieza.
66
Capítulo III
Generador de Vapor Clayton/Agua Caliente
DIBUJO P & ID R-16099
67
Periféricos o Equipos Auxiliares del Generador de Vapor Clayton
DIBUJO P & ID R-16100
68
Capítulo III
Capítulo III
Generador de Vapor Clayton/Agua Caliente
DIBUJO P & ID R-16595
69
Periféricos o Equipos Auxiliares del Generador de Vapor Clayton
DIBUJO P & ID R-16596
70
Capítulo III
Capítulo IV
Generador de Vapor /Agua Caliente
CUARTO DE MÁQUINAS GENERALIDADES Cuando se selecciona la localización del equipo (cuarto de máquinas) se debe ser cuidadoso con respecto a la inversión y garantía. Servicios necesarios, tal como combustible, agua, electricidad y ventilación deben estar dentro de la proximidad del equipo. El esquema general y las dimensiones del equipo se proporcionan en la Tabla 1-4. Para dimensiones actuales e información de consumo, por favor refiérase a los datos agregados con cada orden específica.
N
OTA: Este equipo no debe usarse al aire libre. Este equipo debe protegerse de la humedad en todo momento. El Generador, el agua conexa y el equipo de tratamiento químico deben mantenerse todo el tiempo a una temperatura superior a la de congelamiento.
DIMENSIONES DEL CUARTO DE MÁQUINAS RECOMENDACIONES MÍNIMAS DE ESPACIO La longitud mínima del cuarto de máquinas se da para que permita el futuro mantenimiento y en su caso, el reemplazo del intercambiador de calentamiento, con el suficiente espacio para trabajar. En general, deje 153 cm (60’’) de espacio libre en el lado frontal, 92 cm (36’’) en los extremos y 46 cm (18’’) en la parte trasera. El esquema del equipo y las dimensiones son proporcionados en la Tabla 2-4. Revise el dibujo del Plano de Instalación suministrado con la orden para las dimensiones específicas e información sobre el espacio que debe quedar libre.
ALTURA Mínimo 2 metros (79’’) de la base de la chimenea al techo. Esta dimensión puede variar con: a. b. c. d.
Capacidad del generador y altura del mismo, a partir de la línea del piso. Dimensión y localización de la chimenea y sus ramales. Dimensión y localización del cabezal de vapor. Requerimientos del reglamento de seguridad local.
Use la sección de plantillas para guiarse con la altura máxima del generador y auméntele 15 cm (6’’) a esta altura para permitir el montaje recomendado sobre las bases.
N
OTA: Este equipo debe ser instalado de modo que la distancia entre la unidad y el material combustible no sea menor de 46 cm (18’’) en la parte superior, atrás y en los extremos, 122 cm (48’’) desde el frente, y 46 cm (18’’) desde el conducto de la tubería. El suelo no debe tener combustible. Este equipo no debe estar instalado en un área susceptible a la corrosión o vapores combustibles.
ASENTAMIENTO DEL EQUIPO Las instrucciones de levantamiento se proporcionan en las Figuras 1-4 y 2-4. Las prácticas adecuadas de la disposición del equipo deben ser aplicadas cuando levante este. En instalaciones con limitaciones de espacio en la parte superior, puede usar rodajas. El gancho de la unidad de calentamiento no deberá ser encadenado a ninguna parte de este equipo que no sea el chasis principal.
71
Cuarto de Máquinas
Capítulo IV
Se proporcionan patas de montaje con tornillería. Todas las patas y la tornillería deben ser fijadas. NO altere la longitud de las patas de montaje. Las patas de montaje están diseñadas para proporcionar el espacio adecuado y la accesibilidad para servicio del equipo. Todos los equipos deben ser nivelados y se deben usar puntos de anclaje. Bajo de el(los) Generador(es) debe haber un drenaje adecuado.
FIGURA 1-4. EQUIPO TÍPICO PARA GENERADORES DE VAPOR DE ENCENDIDO POR PASOS (ILUSTRACIÓN ROTADA 90º A LA IZQUIERDA)
72
Capítulo IV
Generador de Vapor /Agua Caliente
FIGURA 2-4. EQUIPO TÍPICO PARA GENERADORES DE VAPOR MODULANTES (ILUSTRACIÓN ROTADA 90º A LA IZQUIERDA)
73
Cuarto de Máquinas
Capítulo IV
LAYOUT DEL EQUIPO Y DIMENSIONES
N
OTA: El layout del Generador de Vapor y las dimensiones dadas en esta sección son aproximadas. La ilustración en cada Figura es en general un bosquejo el cual representa varios modelos de Generador de Vapor. Refiérase a la tabla correspondiente la cual sigue cada Figura para las dimensiones específicas de cada modelo de Generador de Vapor.
Generadores de Vapor de Encendido por Pasos con Patín de Bombas Afuera
FIGURA 3-4. LAYOUT DEL EQUIPO PARA GENERADORES DE VAPOR DE ENCENDIDO POR PASOS CON PATÍN DE BOMBAS AFUERA
74
Capítulo IV
Generador de Vapor /Agua Caliente
TABLA 1-4 – LAYOUT DEL EQUIPO Y DIMENSIONES PARA GENERADORES DE VAPOR DE ENCENDIDO POR PASOS CON PATÍN DE BOMBAS AFUERA (REFIÉRASE A LA FIGURA 3-4 EN LA PÁGINA ANTERIOR PARA EL LAYOUT Y ARTÍCULOS MENCIONADOS)
Modelo Artículo
E-20
E-40
64.38 (163.53)
65.25 (165.74)
Especificaciones 1
A
Longitud total; pulg (cm)
B1
Altura total, sólo Patín del Generador; pulg (cm)
73 (185.42)
79 (200.66)
B2
Altura total, con opción de Tanque Vertical; pulg (cm)
103 (261.62)
82.25 (208.92)
C1
Ancho total, sólo Patín del Generador; pulg (cm)
36.38 (92.41)
37.63 (95.58)
C2
Ancho total con Patín de Bomba y Tanque Vertical opcional; pulg (cm)
61.63 (156.54)
68.75 (174.63)
D
Altura del Serpentín levantado; pulg (cm)
76.13 (193.37)
84.88 (215.6)
1/4
1/2
1
1-1/2
Salida de la descarga del separador (FPT); pulg
3/4
1/1/4
Drene del separador (FPT); pulg
1/2
1
Salida de la descarga de la Trampa de Vapor (FPT); pulg
1/2
3/4
Drene del Serpentín (FPT); pulg
1/2
1/2
1
1
Entrada del piloto de gas (FPT); pulg
1/2
1/2
Entrada principal de gas (FPT); pulg
1-1/2
1-1/2
Entrada de combustible diesel (FPT); pulg
1/2
1/2
Retorno de combustible diesel (FPT); pulg
1/2
1/2
Layout y Dimensiones
Entrada del agua de reposición, Tanque Vertical (FPT); pulg Entrada de agua de alimentación (FPT); pulg
Conexiones Tamaños y Tipos
Drene por gravedad del serpentín (FPT); pulg
Vea Dibujo del Plan de Instalación para conexiones de la Válvula de Alivio.
Salida de la Válvula de Alivio
Información de embarque
Peso aproximado de embarque con patín de 2 bomba; lb (kg)
1
1,650 (748.43)
Longitud total medida con la válvula de gas torcida en la posición OFF. Peso aproximado de embarque con patas y Kit de Filtro. 3 Peso de patín de bomba incluye el Tanque Vertical. 2
75
2,450 (1,111.3)
3
Cuarto de Máquinas
Capítulo IV
Generadores de Vapor de Encendido por Pasos con Patín de Bombas Adentro
FIGURA 4-4. LAYOUT DEL EQUIPO PARA GENERADORES DE VAPOR DE ENCENDIDO POR PASOS CON PATÍN DE BOMBAS ADENTRO (ILUSTRACIÓN ROTADA 90° A LA IZQUIERDA)
76
Capítulo IV
Generador de Vapor /Agua Caliente
TABLA 2-4 – LAYOUT DEL EQUIPO Y DIMENSIONES PARA GENERADORES DE VAPOR CON PATÍN DE BOMBAS ADENTRO (REFIÉRASE A LA FIGURA 4-4 EN LA PÁGINA ANTERIOR PARA EL LAYOUT Y ARTÍCULOS MENCIONADOS)
Modelo Artículo
Layout y
E-60
E-100
83.89 (213.08)
Especificaciones 1
A
Longitud total; pulg (cm)
71.89 (182.60)
B
Altura total, con/sin SE; pulg (cm)
73.5 (186.69)
B
Altura total, con SE; pulg (cm)
83.88 (213.06)
98.5 (250.2)
C
Ancho total; pulg (cm)
52 (132.08)
57.89 (147.04)
D
Altura del Serpentín levantado c/s SE; pulg (cm)
81 (205.74)
94.25 (239.43)
D
Altura del Serpentín levantado c/ SE; pulg (cm)
94 (238.76)
109.25 (277.5)
1-1/2
2
2 (FPT)
2-1/2 (RF Brida)
Drene del separador (FPT); pulg
1
1
Salida de la descarga de la Trampa de Vapor (FPT); pulg
1
1
Drene del Serpentín (FPT); pulg
1
1
Drene por gravedad del serpentín (FPT); pulg
1
1-1/4
Entrada del piloto de gas (FPT); pulg
1/4
3/8
Entrada principal de gas (FPT); pulg
1/1/2 [2 ]
2-1/2
Entrada de combustible diesel (FPT); pulg
3/8
3/4
Retorno de combustible diesel (FPT); pulg
3/8
3/8
2
84.13 (212.1)
Dimensiones
Entrada de agua de alimentación (FPT); pulg Salida de la descarga del separador; pulg
Conexiones Tamaños y Tipos
3
Vea Dibujo del Plan de Instalación para conexiones de la Válvula de Alivio.
Salida de la Válvula de Alivio Peso de embarque con/sin SE; lb (kg)
4
2,350 (1,066)
3,650 (1,656)
2,890 (1,311)
4,190 (1,901)
Información de embarque Peso de embarque con SE; lb (kg)
1
d
Longitud total medida con la válvula de gas torcida en la posición OFF. Altura total medida desde la Caja de Controles. 3 Baja presión. 4 Peso aproximado de embarque con patas y Kit de Filtro. 2
77
Cuarto de Máquinas
Capítulo IV
Generadores de Vapor Modulantes
FIGURA 5-4. LAYOUT DEL EQUIPO PARA GENERADORES DE VAPOR MODULANTES
78
Capítulo IV
Generador de Vapor /Agua Caliente
TABLA 3-4 – LAYOUT DEL EQUIPO Y DIMENSIONES PARA GENERADORES DE VAPOR MODULANTES (REFIÉRASE A LA FIGURA 5-5 EN LA PÁGINA ANTERIOR PARA EL LAYOUT Y ARTÍCULOS MENCIONADOS)
Modelo Artículo
Layout y Dimensiones
E-154
E-204
E-254
Especificaciones
A
Ancho del Generador; pulg (cm)
61.25 (155.58)
61.25 (155.58)
61.25 (155.58)
B
Longitud del Generador (gas); pulg (cm)
98.63 (250.52)
98.63 (250.52)
98.63 (250.52)
B1
Longitud de la Bomba; pulg (cm)
39.74 (100.94)
39.74 (100.94)
41.72 (105.97)
C
Altura del Generador, c/s SE; pulg (cm)
101.88 (258.78)
101.88 (258.78)
101.88 (258.78)
C
Altura del Generador con SE; pulg (cm)
120.75 (306.71)
120.75 (306.71)
120.75 (306.71)
C1
Altura de la Bomba; pulg (cm)
52.43 (133.17)
52.43 (133.17)
52.72 (141.53)
D
Altura del serpentín levantado, c/s SE; pulg (cm)
109 (276.86)
109 (276.86)
109 (276.86)
D
Altura del serpentín levantado, con SE; pulg (cm)
128 (325.12)
128 (325.12)
128 (325.12)
OW
Ancho total del generador; pulg (cm)
92.75 (235.59)
92.75 (235.59)
103.13 (261.95)
OL
Longitud total del generador (gas); pulg (cm)
114.38 (290.53)
114.38 (290.53)
114.38 (290.53)
E
Armazón de montaje, generador; pulg (cm)
26.88 (68.28)
26.88 (68.28)
26.88 (68.28)
F
Armazón de montaje, generador; pulg (cm)
60.56 (153.82)
60.56 (153.82)
60.56 (153.82)
G
Armazón de montaje, generador; pulg (cm)
53.88 (136.86)
53.88 (136.86)
53.88 (136.86)
H
Armazón de montaje, generador; pulg (cm)
26.88 (68.28)
26.88 (68.28)
26.88 (68.28)
I
Armazón de montaje, bomba del generador; pulg (cm)
7.88 (20.02)
7.88 (20.02)
9 (22.86)
J
Armazón de montaje, bomba; pulg (cm)
9 (22.86)
9 (22.86)
14.75 (37.47)
K
Armazón de montaje, bomba; pulg (cm)
31.5 (80.1)
31.5 (80.1)
30.5 (77.47)
L
Armazón de montaje, bomba al generador; pulg (cm)
16 (40.04)
16 (40.04)
16.5 (41.91)
M
Salida de vapor; pulg (cm)
35.63 (90.5)
35.63 (90.5)
35.63 (90.5)
N
Salida de vapor; pulg (cm)
4.13 (10.49)
4.13 (10.49)
4.13 (10.49)
O
Salida de vapor; pulg (cm)
91.88 (233.38)
91.88 (233.38)
91.88 (233.38)
O1
Salida de vapor, con soplador de hollín; pulg (cm)
105.75 (268.61)
105.75 (268.61)
105.75 (268.61)
P
Entrada de agua; pulg (cm)
24.25 (61.6)
24.25 (61.6)
27.63 (70.18)
Q
Entrada de agua; pulg (cm)
46.88 (119.08)
46.88 (119.08)
43.5 (110.49)
R
Entrada de agua; pulg (cm)
25.75 (65.41)
25.75 (65.41)
36 (91.44)
S
Diámetro del conducto, d. e.; pulg (cm)
17.88 (45.42)
17.88 (45.42)
23.88 (60.66)
T1
Conexión de entrada de aire; pulg (cm)
24.44 (62.08)
24.44 (62.08)
24.44 (62.08)
T2
Conexión de entrada de aire; pulg (cm)
20.13 (51.13)
20.13 (51.13)
20.13 (51.13)
U
Altura de las patas; pulg (cm)
15 (38.1)
15 (38.1)
15 (38.1)
V
Entrada principal de gas; pulg (cm)
23.38 (59.39)
23.38 (59.39)
23.38 (59.39)
W
Entrada de gas; pulg (cm)
1.25 (3.18)
1.25 (3.18)
1.25 (3.18)
X
Entrada de gas; pulg (cm)
5.5 (13.97)
5.5 (13.97)
5.5 (13.97)
Y
Entrada de diesel; pulg (cm)
37.88 (96.22)
37.88 (96.22)
37.88 (96.22)
Z
Retorno de diesel; pulg (cm)
41 (104.14)
41 (104.14)
41 (104.14)
AA
Entrada de diesel; pulg (cm)
20.5 (52.07)
20.5 (52.07)
20.5 (52.07)
AB
Retorno de diesel; pulg (cm)
34.5 (87.63)
34.5 (87.63)
34.5 (87.63)
AC
Llenado por gravedad; pulg (cm)
95.63 (242.9)
95.63 (242.9)
95.63 (242.9)
Entrada de agua de alimentación (FPT); pulg
2
2
2
Salida de descarga del separador (300# R.F. brida); pulg
4
4
4
Drene del separador (FPT); pulg Salida de la descarga de la Trampa de Vapor (FPT); pulg
Conexiones Tamaños y Tipos
1-1/2
1-1/2
1
1-1/4
1-1/4
Drene del Serpentín, con/sin SE (FPT); pulg
1-1/2
1-1/2
1-1/2
Drene del Serpentín, con SE (FPT); pulg
1-1/4
1-1/4
1-1/4
Drene por gravedad del serpentín (FPT); pulg
2-1/2
2-1/2
2-1/2
Drene de la pared de agua superior, sólo SE; pulg
1-1/4
1-1/4
1-1/4
Entrada del piloto de gas (FPT); pulg
1/2
1/2
1/2
Entrada principal de gas (FPT); pulg
1
1-1/2
1-1/2
Entrada de combustible diesel (FPT); pulg
1/2
1/2
1/2
Retorno de combustible diesel (FPT); pulg
1/2
1/2
1/2
Entrada aire de atomización-unidades diesel (FPT); pulg
1/2
1/2
1/2
Entrada de llenado por gravedad (FPT) ; pulg
3/4
3/4
3/4
1-1/2
1-1/2
1-1/2
Conexiones de soplado de hollín (MPT); pulg Salida de la Válvula de Alivio
Pesos de Embarque
1-1/2
Vea Dibujo del plan de instalación p/ conexiones de válvula de alivio
Peso de embarque del generador con/sin SE; lb (kg)
7,390 (3,352)
7,410 (3,361)
7,410 (3,361)
Peso de embarque del generador con SE; lb (kg)
8,360 (3,792)
8,390 (3,806)
8,390 (3,806)
850 (386)
1,050 (476)
1,050 (476)
Peso de embarque de la bomba; lb (kg)
79
Cuarto de Máquinas
Capítulo IV
TABLA 3-4 (CONTINUACIÓN) – LAYOUT DEL EQUIPO Y DIMENSIONES PARA GENERADORES DE VAPOR MODULANTES (REFIÉRASE A LA FIGURA 5-4 EN LA PÁGINA ANTERIOR PARA EL LAYOUT Y ARTÍCULOS MENCIONADOS)
Modelo Artículo
E-304
Especificaciones
A
Ancho del Generador; pulg (cm)
61.25 (155.58)
61.25 (155.58)
B
Longitud del Generador (gas); pulg (cm)
93.63 (237.82)
93.63 (237.82)
B1
Longitud de la Bomba; pulg (cm)
41.72 (105.97)
41.72 (105.97)
C
Altura del Generador, con/sin SE; pulg (cm)
114.38 (290.53)
114.38 (290.53)
Altura del Generador con SE; pulg (cm)
Layout y Dimensiones
E-354
137 (347.98)
137 (347.98)
55.72 (141.53)
55.72 (141.53)
C1
Altura de la Bomba; pulg (cm)
D
Altura del serpentín levantado, c/s SE; pulg (cm)
121.75 (309.25)
121.75 (309.25)
Altura del serpentín levantado, con SE; pulg (cm)
144.38 (366.73)
144.38 (366.73)
OW
Ancho total del generador; pulg (cm)
103.13 (261.95)
103.13 (261.95)
OL
Longitud total del generador (gas); pulg (cm)
113.5 (288.29)
113.5 (288.29)
E
Armazón de montaje, generador; pulg (cm)
26.88 (68.28)
26.88 (68.28)
F
Armazón de montaje, generador; pulg (cm)
60.56 (153.82)
60.56 (153.82)
G
Armazón de montaje, generador; pulg (cm)
53.88 (136.86)
53.88 (136.86)
H
Armazón de montaje, generador; pulg (cm)
26.88 (68.28)
26.88 (68.28)
I
Armazón de montaje, bomba del generador; pulg (cm)
J
Armazón de montaje, bomba; pulg (cm)
K
Armazón de montaje, bomba; pulg (cm)
30.5 (77.47)
30.5 (77.47)
L
Armazón de montaje, bomba al generador; pulg (cm)
16.63 (42.24)
16.63 (42.24
M
Salida de vapor; pulg (cm)
30.75 (78.11)
30.75 (78.11)
N
Salida de vapor; pulg (cm)
4.13 (10.49)
4.13 (10.49)
O
Salida de vapor; pulg (cm)
98.38 (249.89)
98.38 (249.89)
O1
Salida de vapor, con soplador de hollín; pulg (cm)
112.25 (285.12)
112.25 (285.12)
9 (22.86)
9 (22.86)
14.75 (37.47)
14.77 (37.47)
P
Entrada de agua; pulg (cm)
27.63 (70.18)
27.63 (70.18)
Q
Entrada de agua; pulg (cm)
43.5 (110.49)
43.5 (110.49)
R
Entrada de agua; pulg (cm)
36 (91.44)
36 (91.44)
S
Diámetro del conducto, d. e.; pulg (cm)
23.88 (60.66)
23.88 (60.66)
T1
Conexión de entrada de aire; pulg (cm)
24.31 (61.75)
24.31 (61.75)
T2
Conexión de entrada de aire; pulg (cm)
21.04 (53.44)
21.04 (53.44)
U
Altura de las patas; pulg (cm)
V
Entrada principal de gas; pulg (cm)
W X Y
Entrada de diesel; pulg (cm)
15 (38.1)
15 (38.1)
23.38 (59.39)
23.38 (59.39)
Entrada de gas; pulg (cm)
1.75 (4.45)
1.75 (4.45)
Entrada de gas; pulg (cm)
5.5 (13.97)
5.5 (13.97)
37.88 (96.22)
37.88 (96.22)
Z
Retorno de diesel; pulg (cm)
41 (104.14)
41 (104.14)
AA
Entrada de diesel; pulg (cm)
15.5 (39.37)
15.5 (39.37)
AB
Retorno de diesel; pulg (cm)
29.5 (74.93)
29.5 (74.93)
AC
Llenado por gravedad; pulg (cm)
103 (261.62)
103 (261.62)
Entrada de agua de alimentación (FPT); pulg Salida de descarga del separador (300# R.F. brida); pulg
Conexiones Tamaños y Tipos
2 4 (300# R.F. brida)
Drene del separador (FPT); pulg
1-1/2
1-1/2
Salida de la descarga de la Trampa de Vapor (FPT); pulg
1-1/4
1-1/2
Drene del Serpentín, con/sin SE (FPT); pulg
1-1/2
1-1/2
Drene del Serpentín, con SE (FPT); pulg
1-1/4
1-1/4
Drene por gravedad del serpentín (FPT); pulg
2-1/2
2-1/2
Drene de la pared de agua superior, sólo SE; pulg
1-1/4
1-1/4
Entrada del piloto de gas (FPT); pulg
1/2
1/2
Entrada principal de gas (MPT); pulg
1-1/2
1-1/2
Entrada de combustible diesel (FPT); pulg
1/2
1/2
Retorno de combustible diesel (FPT); pulg
1/2
1/2
Entrada aire de atomización-unidades diesel (FPT); pulg
1/2
1/2
Entrada de llenado por gravedad (FPT) ; pulg
3/4
3/4
1-1/2
1-1/2
Conexiones de soplado de hollín (MPT); pulg Salida de la Válvula de Alivio
Pesos de Embarque
2 4 (300# R.F. brida)
Vea Dibujo del plan de instalación p/ conexiones de válvula de alivio
Peso de embarque del generador con/sin SE; lb (kg)
9,140 (4,146)
9,140 (4,146)
Peso de embarque del generador con SE; lb (kg)
10,530 (4,776)
10,530 (4,776)
1,150 (522)
1,150 (522)
Peso de embarque de la bomba; lb (kg)
80
Capítulo IV
Generador de Vapor /Agua Caliente
TABLA 3-4 (CONTINUACIÓN) – LAYOUT DEL EQUIPO Y DIMENSIONES PARA GENERADORES DE VAPOR MODULANTES (REFIÉRASE A LA FIGURA 5-4 EN LA PÁGINA ANTERIOR PARA EL LAYOUT Y ARTÍCULOS MENCIONADOS)
Modelo Artículo
E-604
Especificaciones Ancho del Generador; pulg (cm)
68.75 (174.63)
68.75 (174.63)
68.75 (174.63)
B
Longitud del Generador (EG/EOG); pulg (cm)
117.38 (298.15)
117.25 (298.15)
117.25 (298.15)
B1
Longitud de la Bomba, J4 simple; pulg (cm)
41.72 (106)
na
na
Longitud de la Bomba, J4 doble; pulg (cm)
59.26 (150.52)
59.26 (150.52)
59.26 (150.52)
C1 D OW OL
Altura del Generador, c/s SE; pulg (cm)
130.75 (332.11)
130.75 (322.11)
180.5 (458.47)
Altura del Generador con SE; pulg (cm)
156.25 (396.88)
156.25 (396.88)
na
Altura de la Bomba, J4 simple; pulg (cm)
55.72
na
na
Altura de la Bomba, J4 doble; pulg (cm)
61.86 (157.12)
61.86 (157.12)
61.86 (157.12)
Altura del serpentín levantado, c/s SE; pulg (cm)
134.5 (341.63)
134.5 (341.63)
188.75 (479.43)
Altura del serpentín levantado, con SE; pulg (cm)
164.5 (417.83)
164.5
na
104 (264.16)
na
na
Ancho total del generador, J4 simple; pulg (cm) Ancho total del generador, J4 doble; pulg (cm)
130.63 (331.8)
130.63 (331.8)
130.63 (331.8)
Longitud total del generador (gas); pulg (cm)
133.13 (338.15)
133.13 (338.15)
133.13 (338.15) 32.13 (81.61)
E
Armazón de montaje, generador; pulg (cm)
32.13 (81.61)
32.13 (81.61)
F
Armazón de montaje, generador; pulg (cm)
62 (157.48)
62 (157.48)
62 (157.48)
G
Armazón de montaje, generador; pulg (cm)
64.25 (163.2)
64.25 (163.2)
64.25 (163.2)
H
Armazón de montaje, generador; pulg (cm)
32.13 (81.61)
32.13 (81.61)
32.13 (81.61)
I
Armazón de montaje, bomba del generador; pulg (cm)
21 (53.34)
na
na
I1
Armazón de montaje, bomba del generador; pulg (cm)
10.38 (26.37)
10.38 (26.37)
10.38 (26.37)
J
Armazón de montaje, bomba; pulg (cm)
14.75 (37.47)
na
na
J1
Armazón de montaje, bomba; pulg (cm)
7.38 (18.75)
7.38 (18.75)
7.38 (18.75)
J2
Armazón de montaje, bomba; pulg (cm)
30.5 (77.47)
30.5 (77.47)
30.5 (77.47)
K
Armazón de montaje, bomba, J4 simple; pulg (cm)
30.5 (77.47)
na
na
Armazón de montaje, bomba, J4 doble; pulg (cm)
41.38 (105.11)
41.38 (105.11)
41.38 (105.11)
K1
Armazón de montaje, bomba, J4 doble; pulg (cm)
14.75 (37.47)
14.75 (37.47)
14.75 (37.47)
K2
Armazón de montaje, bomba, J4 doble; pulg (cm)
12 (30.48)
12 (30.48)
12 (30.48)
L
Armazón de montaje, bomba al generador; pulg (cm)
16.63 (42.24)
18 (45.72)
18 (45.72)
M
Salida de vapor; pulg (cm)
30.69 (77.95)
30.69 (77.95)
30.75 (78.11
N
Salida de vapor; pulg (cm)
9 (22.86)
9 (22.86)
9.13 (23.19)
O
Salida de vapor; pulg (cm)
118.25 (300.36)
118.25 (300.36)
118.25 (300.36)
O1
Salida de vapor, con soplador de hollín (EO/EOG); pulg (cm)
134.37 (341.3)
134.37 (341.3)
134.37 (341.3)
P
Entrada de agua; pulg (cm)
27.5 (69.85)
27.5 (69.85)
27.5 (69.85)
Q
Entrada de agua, J4 simple; pulg (cm)
55.5 (140.97)
na
na
Entrada de agua, J4 doble; pulg (cm)
54.63 (138.76)
54.63 (138.76)
54.63 (138.76)
R
Conexiones Tamaños y Tipos
E-504
A
C
Layout y Dimensiones
E-404
Entrada de agua, J4 simple; pulg (cm)
35.75 (90.81)
na
na
Entrada de agua, J4 doble; pulg (cm)
64.25 (163.2)
64.25 (163.2)
64.25 (163.2)
S
Diámetro del conducto, d. e.; pulg (cm)
31.75 (80.65)
31.75 (80.65)
31.75 (80.65)
T1
Conexión de entrada de aire; pulg (cm)
24.31 (61.75)
24.31 (61.75)
24.31 (61.75)
T2
Conexión de entrada de aire; pulg (cm)
21.01 (53.44)
21.04 (53.44)
21.04 (53.44)
U
Altura de las patas; pulg (cm)
13 (33.02)
13 (33.02)
13 (33.02)
V
Entrada principal de gas; pulg (cm)
25.25 (64.14)
25.25 (64.14)
25.25 (64.14)
W
Entrada de gas; pulg (cm)
2.25 (5.72)
2.25 (5.72)
2.25 (5.72)
X
Entrada de gas; pulg (cm)
8.38 (21.29)
8.38 (21.29)
8.38 (21.29)
Y
Entrada de diesel; pulg (cm)
38.88 (98.76)
38.88 (98.76)
38.88 (98.76)
Z
Retorno de diesel; pulg (cm)
42 (106.68)
42 (106.68)
42 (106.68)
AA
Entrada de diesel; pulg (cm)
26 (66.04)
26 (66.04)
26 (66.04)
AB
Retorno de diesel; pulg (cm)
37.38 (94.95)
37.38 (94.95)
37.38 (94.95)
AC
Llenado por gravedad; pulg (cm)
126.13 (320.37)
126.13 (320.37)
126.13 (320.37)
Entrada de agua de alimentación (FPT), J4 simple; pulg
2
na
na
Entrada de agua de alimentación (FPT), J4 doble; pulg
3
3
3
Salida de descarga del separador (300# R.F. brida); pulg
6
6
6
Drene del separador (FPT); pulg
1-1/2
1-1/2
1-1/2
Salida de la descarga de la Trampa de Vapor (FPT); pulg
1-1/2
1-1/2
1-1/2
Drene del Serpentín, con/sin SE (FPT); pulg
1-1/2
1-1/2
1-1/2
Drene del Serpentín, con SE (FPT); pulg
1-1/2
1-1/2
1-1/2
Drene por gravedad del serpentín (FPT); pulg
2-1/2
2-1/2
2-1/2
81
Cuarto de Máquinas
Capítulo IV
TABLA 3-4 (CONTINUACIÓN) – LAYOUT DEL EQUIPO Y DIMENSIONES PARA GENERADORES DE VAPOR MODULANTES (REFIÉRASE A LA FIGURA 5-4 EN LA PÁGINA ANTERIOR PARA EL LAYOUT Y ARTÍCULOS MENCIONADOS)
Modelo Drene de la pared de agua superior, sólo SE; pulg
E-504
E-604
1-1/2
1-1/2
1-1/2
Entrada del piloto de gas (FPT); pulg
1/2
1/2
1/2
Entrada principal de gas (MPT); pulg
2
2
2
Entrada de combustible diesel (FPT); pulg
1/2
1/2
1/2
Retorno de combustible diesel (FPT); pulg
1/2
1/2
1/2
Entrada aire de atomización-unidades diesel (FPT); pulg
1/2
1/2
1/2
Entrada de llenado por gravedad (FPT) ; pulg
3/4
3/4
3/4
2-1/2
2-1/2
2-1/2
Conexiones de soplado de hollín-Unidades diesel (MPT); pulg Salida de la Válvula de Alivio
Pesos de Embarque
E-404
Vea Dibujo del plan de instalación p/ conexiones de válvula de alivio
Peso de embarque del generador con/sin SE; lb (kg)
14,650 (6,645)
14,790 (6,709)
Peso de embarque del generador con SE; lb (kg)
17,040 (7,729)
17,190 (7,797)
na
1,970 (894)
2,000 (907)
2,200 (998)
Peso de embarque de la bomba; lb (kg)
17,980 (8,156)
VENTILACIÓN EN EL CUARTO DE MÁQUINAS Continuamente debe suministrarse un volumen suficiente de aire al cuarto de máquinas para mantener la combustión adecuada así como la disipación del calor generado por la radiación del mismo a partir del generador, ya que debido a esto se eleva la temperatura del cuarto de máquinas. Como un criterio, debe haber 1m3) (12 pies3) de aire por caballo caldera1. Esto proporcionará suficiente aire para la combustión y el enfriamiento de la cubierta exterior. Cuando en el Cuarto de Máquinas no haya suficiente aire, se debe usar un ducto para entrada de aire, cuando el suministro de aire al mismo esté contaminado con material aerotransportado o vapores corrosivos, y cuando el ruido es considerable. Se requiere que el clima de los alrededores sea el adecuado ya que por ejemplo, la humedad es perjudicial para los controles, para el transformador, para el devanado de los motores y se pueden provocar cortos circuitos y que cuando haya un riesgo potencial de contaminantes aerotransportados se instale un filtro de aire. Es indispensable que los filtros en la entrada de aire deban ser capaces de filtrar estos contaminantes menores de 3 micras para Unidades equipadas con FMB. Si usa un ducto de entrada de aire en climas húmedo-frío, este debe contener un damper operado por un motor con un interruptor de posición de entrecierre para evitar congelamiento del serpentín de calentamiento. La máxima presión de caída permitida en el sistema del ducto de entrada de aire es de 2.54 cm (1.0’’) de columna de agua. Es importante también el no excederse en la ventilación, ya que se pueden crear corrientes de polvo, siendo éste altamente perjudicial para los controles del generador.
VENTILACIÓN FORZADA 1.-- Localización y dimensión mínima de las tomas de aire para el cuarto de máquinas. a. Son recomendables dos tomas de aire en las paredes exteriores del cuarto de máquinas, localizadas en cada extremo del mismo, preferentemente a una altura no mayor de 2.13 m. Esto es con la finalidad de permitir que la corriente de aire barra el generador. b. Estas se pueden cubrir para protegerlas del desgaste de la intemperie. Pero no deberán cubrirse con una malla de alambre fino ya que este tipo de cubierta proporciona una cantidad pobre de flujo de aire, y está sujeta a obstruirse por el polvo o impurezas. 1
Este criterio está basado en una instalación al nivel del mar; las instalaciones a mayor altitud requieren más aire.
82
Capítulo IV
Generador de Vapor /Agua Caliente
c. No es recomendable un extractor de aire en el cuarto de máquinas, ya que podría crear un pequeño vacío bajo ciertas condiciones y causar variaciones en la cantidad de aire necesario para la combustión, dando como resultado un funcionamiento irregular del quemador. d. Bajo ninguna circunstancia el área de la toma deberá ser menor que 930 cm2 (1 pie2). e. Fórmula para la obtención del área de la toma.
Volumen de aire (m 3 /min, pies 3 /min) Área = Velocidad permisible (m/min, pies/min)
(1-4)
2.-Aire para la combustión
BHP máximos x 0.2264 m3/min/BHP
BHP máximos x 8 pies3/min/BHP
Aire para la ventilación
BHP máximos x 0.0566 m3/min/BHP
BHP máximos x 2 pies3/min/BHP
Total
0.283 m3/min./BHP
10 pies3/min/BHP
TABLA 4-4. CANTIDAD DE AIRE REQUERINO EN m3/min (pies3/min).
Para altitudes mayores a 330 m SNM agregar 1% por cada 100 metros de altura SNM.
3.--
Rejillas con una altura hasta de 2.13 m. (7 pies) Rejillas con una altura mayor de 2.13 m. (7 pies) Descarga directa al generador
Velocidad (m/min) 76.25 152.5 305
Velocidad (pies/min) 250 500 1000
TABLA 5-4. VELOCIDAD DEL AIRE ACEPTABLE EN EL CUARTO DE MÁQUINAS m/min (pies/min)
CÁLCULO DEL ÁREA DEL DUCTO DE SUMINISTRO DE AIRE AL CUARTO DE MÁQUINAS Dados los BHP del Generador de Vapor, la altitud a la que se encuentra éste y la altura a la que se encuentra el ducto de aire, se tiene que de la Tabla 4-4 se obtiene la cantidad total de aire que entra al cuarto de máquinas, la cual es 0.283 m3/min/BHP. Este dato se multiplica por los BHP para obtener la cantidad de aire requerido, es decir:
Cantidad de aire requerido =
0.283m 3 dato (0.283m 3 ) X BHP(dato) = min/BHP min
(2-4)
Con base a la altura dada del cuarto de máquinas y a la Tabla 5-4, se obtiene la velocidad permisible del aire. Con estos dos datos se calcula el área requerida de la toma de aire, a partir de la fórmula 1-4. Finalmente, como se recomienda en el inciso (a), se deben tener por lo menos 2 tomas de aire por lo que el área para el número de ductos es:
Área (Dos por lo menos) [=] m 2 Número de ductos
83
(3-4)
Cuarto de Máquinas
Capítulo IV
CHIMENEAS 1. Finalidad.- La única finalidad de la chimenea en cualquier tipo de generador de vapor, es la de conducir los productos de la combustión a un lugar seguro de descarga (la atmósfera). Un diseño con tiro forzado, elimina la necesidad de una chimenea diseñada para crear el tiro. 2. Tiro de la chimenea.- Las variaciones del tiro de aproximadamente 1 cm (1/2 pulgada) de columna de agua en la salida del generador no tienen un efecto apreciable sobre la operación del quemador. Esto es debido a la elevada caída de presión, la cual es producida a partir del interior del quemador a la salida del generador. Las siguientes, son caídas de presión típicas: a. Una caída de “10 a 30 cm (4 a 12 pulgadas) de columna de agua”, es tomada a través del quemador para proveer una elevada turbulencia, una buena mezcla de aire y combustible, y una elevada cantidad de CO2, para una combustión más eficiente. b. Una caída de “5 a 15 cm (2 a 6 pulgadas) de columna de agua”, tiene lugar a través de los cuatro pasos del generador, para mantener una alta velocidad de flujo de gases y consecuentemente en la transferencia calor. c. Si la altura de la chimenea es arriba de 40 m, o una combinación de chimeneas y ramales causan un tiro excesivo, una simple compuerta barométrica puede ser localizada en el ramal muy próximo a la chimenea. Ésta compuerta barométrica solamente deberá ser considerada después de que se ha ajustado el quemador y que efectivamente sea una acción correctiva. 3. Localización de la chimenea.- La instalación adecuada del escape de la chimenea es esencial para la operación correcta del generador de vapor Clayton. Clayton especifica que cuando diseñe e instale el escape de la chimenea se debe considerar una presión de retroceso aceptable de 0.0 a -0.6 cm (0.0 a -0.25 pulgadas) de columna de agua. El instalador es responsable de adecuar el tiro de la chimenea a los requerimientos de presión de retroceso solicitados por el proyecto. Deben evitarse los codos de 90 grados. Cuando la chimenea no pueda extenderse verticalmente, se deberán usar codos de 45 grados. Las chimeneas que excedan los 7.6 m (25 pies) pueden requerir una compuerta barométrica. Las chimeneas para todos los generadores de Bajos NOX, requieren de una compuerta barométrica. 4. Condensación en la chimenea.- La cantidad de condensación en una chimenea, variará con el tipo de combustible, y con la temperatura de los gases en la misma. La condensación en una chimenea, tiene lugar más probablemente en la instalación de un generador de calefacción, donde cargas ligeras e intermitentes, causan una condición fría en la chimenea, la cual da como resultado una condensación del vapor de agua en los gases de combustión. Esta condensación de agua acelera la corrosión de la lámina de la chimenea. Cuando planee reducir al mínimo la condensación de una chimenea, deberá considerar los siguientes incisos: a. El tamaño del generador deberá ser lo más cercano posible a la carga real del sistema. Deberán evitarse generadores sobrados en capacidad. b. Las chimeneas de mampostería conservan mejor el calor que las de lámina. c. Cuando use chimeneas de lámina, un buen aislamiento de ella, ayudará a no permitir pérdidas de calor. d. Es recomendable una chimenea de conexión lateral con registro y conexión de purga para evitar que el condensado regrese al generador. 5. Peso de la chimenea.- Los escapes de las chimeneas se soportan así mismo (la máxima carga de la conexión de la chimenea es de 23 kg) y debe extenderse bien sobre el techo o el edificio, (refiérase a los códigos de construcción locales). Si las estructuras cercanas son más altas que el edificio donde se encuentra alojado el(los) generador(es), la altura de la chimenea debe ser aumentada para rebasar éstas estructuras.
84
Capítulo IV
Generador de Vapor /Agua Caliente
Construcción de la chimenea.- Todos los generadores deben tener instalado una parte de cilindro desmontable a la salida de la chimenea para facilitar la remoción e inspección del Serpentín de Calentamiento. Para permitir el suficiente levantamiento vertical, ésta pieza debe ser al menos de 1.2 m de largo. La instalación de la chimenea debe ser coordinada con el cliente. En la operación de cualquier tipo de combustible, debe proporcionarse una puerta de acceso inmediatamente a la salida de la chimenea (primera sección vertical) del generador para proporcionar un medio para el lavado periódico del serpentín de calentamiento. La sección de la chimenea localizada en el interior del edificio debe ser aislada para reducir las pérdidas por radiación y el ruido. El diámetro de la chimenea debe ser igual al de la salida en el generador. En las instalaciones múltiples, si el edificio lo permite, deberán usarse chimeneas individuales. 6. Recomendaciones.a. Todas las unidades gas/diesel deben tener instalada en la chimenea, un indicador de temperatura de gases de escape. b. En las instalaciones donde el clima es húmedo-frío, se recomienda la instalación de un Damper de Contratiro en el escape de la chimenea para evitar daños por congelamiento a la Unidad de Calentamiento. c. Para las instalaciones que están ubicadas en un área residencial, se deben tomar consideraciones especiales. Dependiendo del diseño, la Chimenea puede emitir ruidos o vibraciones. Los ruidos pueden causar que las estructuras se desarmen y pueden ser molestos para los empleados y vecinos. Si esto llegara a suceder, se recomienda el uso de un Silenciador de Chimenea. El Silenciador de la Chimenea es usado normalmente en la línea, se instala verticalmente y sobre el nivel del techo. Este puede ser instalado horizontalmente y/o más cerca del equipo.
7. Material de la Chimenea El material y espesores para el Escape de la Chimenea deben cumplir con los requerimientos de los códigos locales, y ser determinado con base al medio ambiente y a las condiciones de operación (exposición a los elementos, humedad, componentes del combustible, etc.). El área de espacio libre aéreo entre la Chimenea y los edificios, techo, o botaguas también debe cumplir con los códigos locales. El material usado para el botaguas del techo debe resistir un mínimo de 316ºC (600°F). En la parte superior de la chimenea se debe instalar un “gorro”.
N
OTA: Clayton recomienda que todos los generadores adquiridos con un economizador integrado se instalen con un escape de chimenea construido con acero inoxidable y que éste sea aislado. Todas las unidades de operación a diesel y combustóleo deben usar chimeneas construidas con acero inoxidable. Clayton recomienda que todas las unidades a combustóleo usen una chimenea totalmente vertical, con acceso exterior para su limpieza, como se muestra en la figura 6-4.
85
Cuarto de Máquinas
N
Capítulo IV
OTAS:
1.
Damper barométrico: Recomendado en todas las instalaciones con alturas de chimenea superiores a 7.6 metros (25 pies) y Unidades de Bajos NOX.
2.
Cilindro removible: 1.22 metros (4 pies) mínimo, sección de la chimenea, se recomienda su remoción para mantenimiento y reparación del Generador de Vapor.
3.
Damper de Contratiro: Debe ser instalado en el escape de la chimenea, en instalaciones con Climas húmedo-frío.
4.
Las Unidades con encendido a diesel requieren una puerta de acceso de 61 cm (2 pies) de ancho por 91 cm (3 pies) de alto, para inspección y lavado del serpentín. Se requiere un drene de piso bajo o cerca a la entrada del Quemador.
FIGURA 6-4. LAYOUT ESCÁPE DE CHIMENEA ESTÁNDAR SÓLO PARA INSTALACIONES DE UNIDADES CON ENCENDIDO A GAS NATURAL Y DIESEL. NO SE RECOMIENDA EN UNIDADES DE ENCENDIDO A COMBUSTÓLEO
86
Capítulo IV
Generador de Vapor /Agua Caliente
FIGURA 7-4. LAYOUT ESCÁPE DE CHIMENEA DE UNIDADES MÚLTIPLES ALTERNAS SÓLO PARA INSTALACIONES DE UNIDADES CON ENCENDIDO A GAS NATURAL Y DIESEL. NO SE RECOMIENDA EN UNIDADES DE ENCENDIDO A COMBUSTÓLEO
FIGURA 8-4. LAYOUT ESCÁPE DE CHIMENEA PARA INSTALACIONES DE UNIDADES SIMPLES O MÚLTIPLES, RECOMENDADA PARA COMBUSTÓLEO
87
Cuarto de Máquinas
Capítulo IV
RAMAL DE CHIMENEA Instalación múltiple de generadores.- Cuando vaya a conectar cierto número de generadores de la misma capacidad, a un ramal común, use la siguiente tabla de diámetros de ramales.
CAPACIDAD
A cm 1 generador
B cm 2 generadores
C cm 3 generadores
D cm 4 generadores
15-20 40 60 100 125-200 250-350 400-700
15.24 20.32 25.4 30.48 40.64 50.80 60.96
20.32 25.4 30.48 38.10 50.80 63.50 76.20
22.86 27.94 35.56 43.18 55.88 71.12 83.82
22.86 30.48 38.10 45.72 60.96 76.20 91.44
TABLA 6-4. DIÁMETRO MÍNIMO DEL RAMAL
Material de los Ramales El material recomendado para los ramales, es lámina No. 12, como mínimo. • En todos los casos son recomendados codos de radio amplio. • Para reducir pérdidas de calor y problemas de condensación, puede usarse cierto tipo de aislamiento. • Todas las piezas de transición, deberán ser diseñadas para tener un cambio uniforme en el área de flujo.
SUSTANCIAS QUÍMICAS QUE PUEDEN CAUSAR RIESGO DE INCENDIO EN EL CUARTO DE MÁQUINAS CLAVES UTILIZADAS EN LA TABLA: Ti = Punto de inflamación (Flash point) en grados centígrados: Mínima temperatura en ºC a 760 mm de Hg a la que una sustancia combustible, en contacto con el aire, desprende la suficiente cantidad de vapor para que se produzca la inflamación de la mezcla vapor-aire mediante el aporte a la misma de una energía de activación externa. Ta = punto de autoencendido (Autoignition point) en grados centígrados: Mínima temperatura en ºC a 760 mm de Hg a la que una sustancia sólida, líquida o gaseosa arde espontáneamente en contacto con el aire sin necesidad de ningún aporte energético a la mezcla. LlI, LSI = Límites inferior/superior de inflamabilidad: Tanto por ciento en volumen de mezcla combustible-aire. Delimitan los porcentajes mínimos y máximos de combustible en mezcla combustible-aire en y entre los cuales dichas mezclas son inflamables. Te = Punto de ebullición en grados centígrados: Temperatura a la que la presión de vapor de la sustancia es igual a la presión atmosférica (normalmente 760 mm). SE = Sustancias extintoras por orden de preferencia: En clave numérica se indican las sustancias extintoras que deben emplearse en la extinción de un incendio ocurrido en el correspondiente producto, con el significado:
88
Capítulo IV
Generador de Vapor /Agua Caliente
1. Agua 2. Espuma 2a. Espuma especial 3. Anhídrido carbónico (C02) y polvo químico 4. Para fuegos pequeños, C02 o agua pulverizada. Para fuegos grandes agua, cerrar el gas o esperar a que el combustible se agote. 5. Polvo seco especial para metales. PC = Poder calorífico en Mcal/kg: Cantidad de calor que, por unidad de masa, desprende una sustancia al sufrir un proceso de combustión completo. ρ = Densidad en kg/m3
RIESGOS DE LOS PRODUCTOS QUÍMICOS El bloque de datos identificado por las claves T, I y R da idea general de los riesgos inherentes al producto químico y el orden de severidad de este riesgo. Se basan en el sistema de identificación del riesgo según NFPA Nº 704 M. Para cada uno de los riesgos proporciona un orden de severidad por una de cinco cifras ordenadas desde 4, que presenta peligro extremo, al 0 que no representa especial peligro.
T = TOXICIDAD DE LOS PRODUCTOS DE COMBUSTIÓN 1.
Una pequeña aspiración de gas o vapor pueden causar la muerte. En la extinción usar elementos especiales de protección personal y aparatos de respiración autónomos. Los elementos habituales no soportan suficiente protección.
2.
Productos de combustión altamente tóxicos. En la extinción usar como elementos de protección personal: ropa para protección personal, aparatos de respiración autónomos.
3.
Productos de combustión medianamente tóxicos. En la extinción usar aparatos de respiración autónomos.
4.
Productos de combustión ligeramente tóxicos. En la extinción es recomendable el uso de aparatos de respiración autónomos.
5.
Productos de combustión no tóxicos.
I = INFLAMABILIDAD Y EXTINCIÓN 1.
Gases muy inflamables, líquidos muy volátiles, y materiales que en forma de polvo o niebla forman mezclas explosivas dispersadas en el aire. Interrumpir el flujo y usar agua para enfriar los recipientes y proximidades. En polvos, usar agua pulverizada.
2.
Líquidos cuya emisión de vapores en condiciones normales de temperatura es suficiente para formar mezclas inflamables. El agua puede ser no efectiva por ser nulo el efecto de refrigeración debido a su baja temperatura de inflamación. Sólidos que por sus características pueden autoinflamarse en el aire a temperaturas normales.
89
Cuarto de Máquinas
Capítulo IV
3.
Líquidos y sólidos que deben ser moderadamente calentados antes de que su emisión de vapores puedan dar lugar a mezclas inflamables. En su extinción puede emplearse agua pulverizada.
4.
Líquidos y sólidos que arden con considerable precalentamiento (El agua, si es más densa, puede causar salpicaduras). En agua pulverizada en cantidad es muy efectiva.
5.
Materiales que no se queman.
R = REACTIVIDAD 1.
Materiales que en sí son capaces de producir descomposiciones o reacciones detonantes o explosivas a temperatura y presión normales. Incluye materiales que pueden dar estas reacciones por golpes o choque térmico. Las zonas que contengan tales productos deben ser evacuadas en caso de incendio.
2.
Materiales que son inestables y pueden reaccionar mediante un aporte de energía o adición de producto que reaccione violentamente con él; habitualmente no detona. El uso de agua puede ocasionar violentas reacciones.
3.
Materiales que son capaces de producir descomposiciones o reacciones detonantes o explosivas con un fuerte aporte energético inicial. Su extinción debe hacerse tras estructuras que puedan resistir los efectos de una posible explosión.
4.
Materiales habitualmente estables. Pueden reaccionar con el agua pero no violentamente.
5.
Materiales habitualmente estables pudiéndose emplear en su extinción cualquiera de las sustancias extintoras habituales. TABLA 7-4. PARÁMETROS DE SUSTANCIAS QUÍMICAS MÁS USUALES 1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
PRODUCTO
Ti
Ta
LII
LSI
Te
SE
PC
T
I
R
Aceite de olivo
225
343
-
-
238
1, 2
10
0
1
0
Aceite de pino
77
-
-
-
222
1, 2
10
0
2
0
Aceite de ricino Aceite de soja
229.4 282.2
448.9 445
-
-
312.8 -
1, 2 1, 2
10 10
0 0
1 1
0 0
Acetaldehído
- 37.8
175
4
60
21.1
1, 2 3
5.85
2
4
2
Acetato de etilo
- 4.4
426.6
2.2
11
77.2
2a, 3
5.61
1
3
0
Acetato de metilo
- 10
501.7
3.1
16
60
2a, 3
1.88
1
3
0
Acetona
17.8
465
2.6
12.8
56.7
1, 2a, 3
7.49
1
3
0
Acetonitrilo Acetileno
5.56 GAS
523.9 305
4.4 2.5
16 100
81.7 83.3
2a, 3 4
6.98 11.58
2 1
3 4
1 3
Ácido acético
42.8
465
5.4
16
118.3
1, 2a, 3
3.14
2
2
1
Ácido acrílico
54.4
-
-
-
141.7
1
4.25
3
2
2
Ácido adípico
196.1
420
-
-
265
1, 2, 3
5.3
-
1
-
Ácido benzoico
121.1
570
-
-
250
1, 3
6
2
1
-
Ácido butílico Ácido cianhídrico
71.7 - 17.8
450 537.8
2 5.6
10 40
163.9 26.1
1, 2a, 3 1, 4
5.47 -
2 4
2 4
0 2
Ácido esteárico
196.1
395
-
-
385.6
1, 3
-
1
1
0
Ácido fórmico
68.9
601.1
-
-
100.6
1, 3
1.14
3
2
0
Ácido oléico
188.9
362.8
-
-
222.2
1, 2, 3
8.77
0
1
0
Ácido tartárico Acrilato de etilo
210 15.6
425 -
1.8
-
99.4
1 2a, 3
1.62 -
0 2
1 2
0 3
Acrilato de metilo
- 2.8
-
2.8
25
80
2a, 3
-
2
3
2
Acrilonitrilo
0
481.1
3
17
77.2
2a, 3
-
4
3
2
90
Capítulo IV
Generador de Vapor /Agua Caliente
TABLA 7-4. PARÁMETROS DE SUSTANCIAS QUÍMICAS MÁS USUALES (CONTINUACIÓN) PRODUCTO Alcohol alítico
1 Ti 21.1
2 Ta 378.3
3 LII 2.5
4 LSI 18
5 Te 96.7
6 SE 1, 3
7 PC -
8 T 3
9 I 3
10 R 1
Alcohol n-butílico
28.9
365
1.4
11.2
117.2
1, 2a, 3
8
1
3
0
Alcohol etílico
12.8
423
3.3
19
78.3
1, 2a, 3
6.45
0
3
0
Alcohol metílico Alcohol isopropílico Alcohol propílico
12 12 22
385 399 404
6.7 2.3 2.5
36 12.7 13.5
6 82.4 97.5
1, 2a, 3 1, 2a, 3 2a
4.68 7.2 7.29
1 1 1
3 3 3
0 0 0
Aldehído fórmico
GAS
430
7
73
- 21
1.4
4.11
2
4
0
Aldehído propílico
-9
207
2.9
17
48.8
2a
6.93
2
3
1
Amoniaco Anhídrido acético
GAS 264
651 390
16 2.9
25 10.3
- 33.5 140
4 3
3.92
3 2
1 2
0 1
Anhídrido tálico
152
584
1.7
10.5
284.5
1, 3
5.14
2
1
0
Anhídrido propiónico
74
316
-
-
168.1
3
5.33
2
2
1
Anilina
70
617
1.3
-
184.5
1,2, 2a, 3
8.32
3
2
0
Antraceno
121
540
0.6
-
340
1, 2, 3
9.22
0
1
-
Benceno Benzaldehído
- 11 64
562 192
1.4 -
8 -
80.1 178.1
2, 3 1, 2, 3
9.61 7.63
2 2
3 2
0 0
Monobromo benceno
51.1
566
-
-
155
1, 2, 3
-
2
2
0
Bromuro de etilo
< - 20
Bromuro de metilo
511
6.7
11.3
38.4
-
2.88
2
3
0
537
1.7
15
3.59
-
1.77
3
1
0
1, 3 Butadieno
GAS
42.9
2
11.5
- 4.4
4
-
2
4
2
Butano
GAS
405
1.9
8.5
- 0.5
4
10.76
1
4
0
Cera mineral Cera de parafina
113 199
245
-
-
> 371
1.3 1, 3
10 10
0 0
1 1
0 0
Ciclohexano
- 20
260
1.3
8
81
2, 3
10.4
1
3
0
Ciclopentano
-7
395
-
-
49.3
2.3
10.42
1
3
0
Monoclorobenceno
29
638
1.3
7.1
132
2, 3
-
2
3
0
Cloropreno Cloruro de acetilo
-2 4
390
4 -
20 -
59.4 51.2
2a, 4 3
10.5 -
2 3
3 3
0 0
Cloruro de bencilo
67.2
585
1.1
-
178.9
1, 2, 3
5.38
2
2
1
Cloruro de n-butilo
- 9.4
460
1.8
10.1
76.7
2, 3
-
2
3
0
Cloruro de etilo
- 50
518.9
3.8
15.4
12.2
3.4
4, 5
2
4
0
Cloruro de metilo
GAS
632.2
10.7
17.4
- 23.9
4
2.94
2
4
0
Cloruro de n-propilo Cloruro de vinilo
2.7 GAS
520 472.2
2.6 3.6
11.1 33
46.1 - 13.9
3 4
5.67 -
2 2
3 4
0 1
Colodión
- 17.8
-
-
-
-
2a, 3
4
1
4
0
Cumeno
43.9
425
0.9
6.5
152.2
2, 3
9.85
0
2
0
n-Decano
46.1
210
0.8
5.4
173.9
2, 3
10.5
0
2
0
Deuterio o-Diclorobenceno
GAS 66.1
647.8
5 2.2
75 9.2
180
4 1, 2, 3
4.42
0 2
4 2
0 0
p-Diclorobenceno
65.6
-
1.5
5.1
173.9
1, 2, 3
-
-
-
-
1-1-Dicloroetano
6
-
5.6
-
58
2, 3
2.48
2
3
0
1-2-Dicloroetano
13.3
412
6.2
16
83.9
2, 3
2.52
2
3
0
1-1-Cicloroetileno
- 17.8
570
7.2
16
37.2
2, 3
-
2
4
2
1-2-Dicloroetileno 1-2-Dicloropropano
6.1 15.6
557.2
9.7 3.4
13.8 14.5
60.6 96.1
2, 3 2, 3
-
2 2
3 3
2 0
1-2-Dietanolamina
151.7
662.2
-
-
267.8
1, 3
-
1
1
0
Dietilamina
- 17.8
312.2
1.8
10.1
56.7
3
9.01
2
3
0
Dietil cetona
11.3
450
1.6
-
102.8
1, 3
7.93
1
3
0
Dietilen glicol
123.9
228.9
-
-
244.4
1, 3
-
1
1
0
Dietilentriemina Difenilamina
101.7 152.8
398.9 635
-
-
206.7 301.7
1 1, 3
9.01
3 3
1 1
0 0
Difenilo
112.8
540
0.6
5.8
253.9
1, 2, 3
9.53
2
1
0
Dimetilamina
GAS
400
2.8
14.4
7.2
3, 4
4.42
3
4
0
Dimetil glicol
40
-
-
-
78.9
1, 2, 3
4.02
2
2
0
91
Cuarto de Máquinas
Capítulo IV
TABLA 7-4. PARÁMETROS DE SUSTANCIAS QUÍMICAS MÁS USUALES (CONTINUACIÓN) 1
2
3
4
5
6
7
8
9
PRODUCTO
Ti
Ta
LII
LSI
Te
SE
PC
T
I
10 R
2-3-Dimetil pentano
- 6.6
335
1.2
6.7
90
2, 3
10.62
0
3
0
0-Dinitro benceno
150
-
-
-
317.8
1, 3
4.02
3
1
4
Dipenteno Nitrometano
45 35
236.7 418.3
0.7 7.3
6.1 -
81.1 101.1
2, 3, 4 3
10.2 2.52
0 1
2 3
0 4 4
o-Nitrotolueno
106.1
-
-
-
222.2
1, 3
6.28
2
1
m-Nitrotolueno
106.1
-
-
-
232.2
1, 3
6.28
2
1
4
p-Nitrotolueno
106.1
-
-
-
237.8
1, 3
6.28
1
1
3
Nonano
31.1
205
0.8
2.9
150.6
3
-
0
3
0
Octano Óxido de carbono
13.3 GAS
220 608.3
1 12.5
6.5 74
125.6 - 192.2
2, 3 4
10.57 2.2
0 2
3 4
0 0
Óxido de etileno
- 17.8
428.9
3.6
100
10.6
1, 3, 4
6.38
2
4
3
Pentano
- 40
260
1.5
7.8
36.1
2, 3, 4
10.67
1
4
0
Pineno
32.8
255
-
-
155.6
2, 3
-
1
3
0
Piperidina Plomo tetraetilo
16.1 93.3
-
-
-
106.1 se esc.
1, 2a -
9.02 -
2 3
3 3
3 3
Propano
GAS
450
2.2
9.5
- 42.2
4
10.98
1
4
0
Propileno
GAS
460
2
11.1
- 47.2
4
10.92
1
4
1
Tetradecano
100
200
0.5
-
252.8
1, 2, 3
-
0
1
0
Tolueno
4.4
480
1.2
7.1
110.6
2, 3
8.59
2
3
0
Tributilamina Tricloroetileno
86.1 -
420
12.5
90
213.9 86.7
1, 2, 3 1, 2, 3
9.58 -
2 1
2 1
0 0
Triclorobenceno
98.9
-
-
-
212.8
1, 2, 3
-
2
1
0
Triclorosilano
- 6.6
-
-
-
31.7
1, 2, 3
-
3
4
1
Trietilamina
- 6.6
-
1.2
8
89.4
2, 3
9.45
2
3
0
Trietilen glicol Trimetil amina
176.7 GAS
371.1 190
0.9 2
9.2 11.6
287.8 -+ 39
1, 3 4
8.98
1 2
1 4
0 0
Undecano
65
-
-
-
195.6
2, 3
-
0
2
0
o-Xileno
32.2
465
1
6
144.4
2, 3
9.7
2
3
0
m-Xileno
28.9
530
1.1
7
138.9
2, 3
9.7
2
3
0
p-Xileno
27.2
530
1.1
7
138.3
2, 3
9.7
2
3
0
92
Capítulo V
Generador de Vapor /Agua Caliente
INSTALACIONES GENERALIDADES En la práctica moderna de la ingeniería industrial, el objeto de la instalación de cualquier equipo, es obtener las óptimas condiciones de funcionamiento. Es un hecho que ningún equipo es mejor que la calidad de su instalación. Para la instalación de un generador es necesario considerar una serie de limitaciones y conocer los requerimientos necesarios de este tipo de equipo. Para esto siempre es recomendable consultar al fabricante del mismo. En general, las conexiones con las que debe contar el cliente se presentan en la Tabla 1-5.
CONEXIONES PARA EL GENERADOR DE VAPOR El número, tipo, y tamaño requerido para las conexiones del cliente variará con el tamaño del equipo y el tipo de paquete de patín proporcionado. La siguiente tabla identifica las conexiones requeridas por el cliente para el Generador de Vapor para los diversos paquetes de patín. Los tipos de conexiones y tamaños son proporcionados en las Tablas 1-4 y 2-4 del Capítulo anterior.
PAQUETES DE EQUIPOS GENERADORES DE VAPOR CON Sólo Generador de Vapor
Receptor de Agua de Alimentación
Patín de Equipo para Tratamiento de Agua
Patín del Generador
Escape de la Chimenea
X
X
X
X
Salida del Separador de Vapor
X
X
X
X
Descarga de las Válvulas de Alivio
X
X
X
X
Entrada de Agua de Alimentación
X
X
X
Drene(s) del Serpentín
X
X
X
Drene de la Pared Superior de Agua (sólo SE)
X
X
X
Drene del Separador
X
X
X
Salida de la(s) Trampa(s) de Vapor
X
X
X
Entrada de Combustible
X
X
X
X
Retorno de Combustible (Sólo Diesel)
X
X
X
X
Entrada de Aire de Atomización (Sólo Diesel)
X
X
X
X
Conexiones Eléctricas Principales
X
X
Conexiones Incluidas Requeridas por el Cliente:
X
X
X
X
X
X
X
X
X
X
X
X
Patín de Interconexiones Eléctricas del Generador Drene por Gravedad del Serpentín Válvula de Alivio de la Bomba de Combustible (Sólo Diesel)
TABLA 1-5
93
Instalaciones
N N
Capítulo V OTA: Algunos modelos de Generadores de Vapor tienen la sección superior del serpentín y/o Sección Economizadora1 empacada aparte para que el contratista haga la reconexión. OTA: Clayton requiere una conexión de entrada para la bomba Clayton ajustada con una sección flexible de 0.61 m (2 pies), valorada para la presión y temperatura adecuada.
Con base a lo siguiente se mencionan los puntos fundamentales, en la instalación de un generador de vapor.
CONEXIONES PARA EL TRATAMIENTO DE AGUA DE ALIMENTACIÓN Las conexiones requeridas por el cliente para los componentes típicos del tratamiento de agua de alimentación incluidos con el sistema de recepción de agua de alimentación Abierto y Deaereador se identifican en la siguiente tabla para los cuatro tipos de paquetes de patín. El tipo y tamaño de cada uno es proporcionado en los dibujos suplementarios y en las instrucciones de literatura. Conexiones del Cliente Tipo de Patín
Retorno de Condensado
Retorno de la Trampa
Calentamiento de Vapor
Inyección de Químicos
Agua de Reposición
X
X
X
X
X
X
X
X
X
X
X
X
X
X
X
X
X
X
X
X
Salida Agua de 2 Alimentación
Venteo
Drene
Sobreflujo
X
X
X
X
X
X
X
X X
Ninguno Patín de Condensado Patín de Agua Patín del Generador
Sobreflujo /Drene
X
X
SÓLO DA Conexiones del Cliente
Bomba(s) de Refuerzo
Suavizador(es) de Agua
Tanque de Purga
Tipo de Patín
Ninguno Patín de Condensado Patín de Agua Patín del Generador
Salida Válvula de Seguridad
Salida BPR
Entrada PRV
Drene
Entrada
Salida
Venteo
Entrada Agua Enfriamiento
X
X
X
X
X
X
X
X
X
X
X
X
X
X
X
X
X
X
X
X
X
X
X
X
X
X
X
X
X
X
X
Entrada
Salida
Recirculación
Entrada
X
X
X
X
X
X
X
X X
Salida
X
TABLAS 2-5 Y 3-5. SISTEMAS ABIERTO Y DEAEREADOR 1
Estas secciones se recomiendan para tener un mejor aprovechamiento de la transferencia de calor y por consiguiente un ahorro de energía. 2
Las conexiones de salida de agua de alimentación sólo aplican en Patines de Condensado y Agua sin Bombas de Refuerzo Ip.
94
Capítulo V
N
Generador de Vapor /Agua Caliente OTA: Toda la tubería al y desde el Tanque Receptor debe permanecer igual o del mismo tamaño que las conexiones del tanque y no ser reducida.
SISTEMA ABIERTO CONEXIONES DEL TANQUE RECEPTOR DE AGUA DE ALIMENTACIÓN Salida del Agua de Alimentación
Esta conexión es usada para entregar agua debidamente tratada a la(s) Bomba(s) de Refuerzo o a la(s) Bomba(s) de Agua. Dependiendo del tamaño del tanque, esta conexión puede estar en el fondo o en el extremo del tanque. Con la tubería para suministro de agua de alimentación se deben proporcionar una válvula y un filtro en la entrada de cada bomba (enviadas aparte si Clayton los proporciona – excepto en los patines). La línea de agua de alimentación debe ser construida para que proporcione el NPSH requerido a la entrada de la bomba de agua. Las restricciones en esta línea provocarán problemas de entrega de agua que pueden resultar en cavitación de la bomba y en problemas de falta de agua hacia el serpentín de calentamiento.
Llenado por Gravedad
En la línea de salida del agua de alimentación se debe instalar una “te” justo debajo de la conexión de salida del agua de alimentación. En Sistemas con Tanque Elevado los cuales usan Bombas de Refuerzo, instale un tapón de tubería en la conexión “te” de llenado por gravedad.
Venteo
Las tuberías de venteo se deben instalar para que no haya presión de retroceso en el Tanque de Condensado. La tubería de venteo debe ser lo más corta posible, no contener ni válvulas ni restricciones, y correr rectas y hacia fuera. Se deben evitar los codos de 90 grados. Al final de la línea de venteo debe proveerse un cuello de ganso para evitar contaminación en el sistema durante condiciones severas de humedad y/o durante periodos de paro.
Inyección Química
Se proporciona una conexión común para la inyección química de todos los químicos con los que se dará tratamiento al agua de alimentación. En la línea de descarga de cada sistema de bombeo de químicos se debe instalar una válvula check.
Sobreflujo
En la tubería de sobreflujo no se debe instalar ninguna válvula. La tubería de sobreflujo debe estar instalada en la tubería de descarga del tanque de purgas en un punto antes del sensor de temperatura de la válvula. La línea de sobreflujo debe ser de tamaño amplio, no reducido.
Drene
En la línea de drene se debe proporcionar una válvula. Como se indicó anteriormente, la línea de drene puede ser unida a la línea de sobreflujo con tal de que el tamaño de la línea enseguida a la que permanece unida tenga al menos el tamaño de la conexión de sobreflujo en el tanque.
OTA: Las líneas de drene del Tanque Receptor y de sobreflujo (que corren independientemente o van juntas) puede contener agua de arriba de 212°F y deben dirigirse a la tubería de descarga del Tanque de Purga en el punto antes del sensor de temperatura de la válvula.
N
95
Instalaciones
Capítulo V
CONEXIONES DEL TANQUE RECEPTOR DE AGUA DE ALIMENTACIÓN Retorno de Condensado, Control de Temperatura
La conexión del retorno de condensado es el punto donde todo el sistema de retorno de condensado, descarga del separador de la trampa, y vapor calentado son introducidos. El Tanque Receptor puede tener uno o dos conexiones de retorno de condensado, dependiendo del tamaño del tanque. Este punto de inyección está localizado debajo de la línea de agua y junto con el uso del tubo inductor reduce la velocidad y turbulencia creada en el punto de inyección, mientras minimiza las pérdidas por flasheo1 de vapor y el ruido. En tanques que contienen dos conexiones de retorno de condensado una es usada para sistemas de retorno de condensado, la otra es usada para la descarga del separador de la trampa y el vapor caliente. En todo caso, en la descarga del separador de la trampa, en el retorno de condensado, y en las líneas de suministro de vapor, se debe instalar una válvula check, para evitar la retroalimentación. La válvula check debe estar localizada tan cerca como sea posible del tanque de agua de alimentación. Cuando ponga un Tubo Inductor, este debe estar instalado de modo que los orificios estén en una posición horizontal. Esto es confirmado en la fabricación del Tanque Receptor Clayton (arriba de 200 BHP), por verificación visual el estampe “X” en la sección externa está en la posición “12 horas”. Refiérase al Dibujo R16099 para la configuración adecuada de la válvula de control de temperatura.
& Tubo(s) Inductor(es)
OTA: El Tanque Receptor Clayton es elegido de acuerdo al flujo y a la mezcla de productos químicos. Si un sistema de condensado del cliente, crea olas grandes en el retorno durante el arranque o mientras la operación, esto puede causar sobreflujo al Tanque de Condensado. Es responsabilidad del cliente la adecuada evaluación del sistema de retorno de condensado.
N
DEAEREADOR
N
OTA: Toda la tubería para y desde el Deaereador debe permanecer del mismo tamaño que las conexiones del tanque.
CONEXIONES DEL DEAEREADOR Salida de Agua de Alimentación
1
Esta conexión es usada para entregar agua de alimentación debidamente tratada a la(s) Bomba(s) de Refuerzo, esto normalmente en el fondo del tanque. En la tubería de suministro de agua de alimentación a la entrada de cada bomba se deben proporcionar una válvula y un filtro. La línea de agua de alimentación debe ser construida para que proporcione el NPSH requerido a la entrada de la bomba de agua. Las restricciones en esta línea causarán problemas de entrega de agua que pueden resultar en la cavitación de la bomba y problemas de falta de agua en el serpentín de calentamiento. No aísle esta línea. El enfriamiento en la línea de succión de la bomba es benéfico durante periodos de fluctuación de presión en el Deaereador.
Más adelante se hablará de este término. 96
Capítulo V
Generador de Vapor /Agua Caliente
CONEXIONES DEL DEAEREADOR Llenado por Gravedad
En la línea de salida del agua de alimentación justo debajo de la conexión de salida debe ser instalada una “te”. En sistemas con tanque DA elevado esta “te” proporciona una conexión para la tubería de llenado por gravedad. En un Sistema Receptor que usa Bombas de Refuerzo, instale un tapón de tubería en la conexión “te” de llenado por gravedad.
Venteo
El deaereador debe ventear los gases liberados para ser eficaz. Siempre, es venteado algo de vapor con estos gases.
Inyección Química
Con todos los productos químicos se proporciona una conexión común para la inyección de tratamiento químico al agua de alimentación. En la línea de descarga de cada sistema de bombas dosificadoras se debe instalar una válvula check.
Trampa para Sobreflujo
No se deben instalar válvulas en la tubería de Trampeo de Sobreflujo. La tubería de Trampeo de Sobreflujo debe ser instalada en la tubería de descarga del tanque de purga en el punto antes del sensor de temperatura de la válvula.
Drene
En la línea de drene se debe instalar una válvula de drene. Como se indicó anteriormente, la línea de drene puede ser unida a la línea de sobreflujo con tal de que el tamaño de la línea enseguida a la que permanece unida tenga al menos el tamaño de la conexión de sobreflujo en el tanque.
OTA: Las líneas de drene del Deaereador y de sobreflujo (corren independientes o juntas) normalmente contienen agua de > 110ºC (230°F) y debe ser dirigida a la tubería de descarga del Tanque de Purga en el punto antes del sensor de temperatura de la válvula.
N
CONEXIONES DEL DEAEREADOR Retorno de Condensado & Tubo Inductor
Válvula Reguladora de Presión
La mayoría de los Deaereadores tienen una conexión de retorno de condensado de alta y baja presión. La conexión de retorno de condensado de alta presión es donde es introducido todo el retorno de condensado del sistema y la descarga del separador de la trampa. El retorno de baja presión normalmente está instalado desde un tanque colector de condensado a la conexión de retorno de baja presión. La(s) conexión(es) de retorno de condensado de alta presión están localizadas debajo de la línea de agua con un tubo inductor instalado internamente. La introducción de vapor y condensado caliente debajo de la línea de agua junto con el uso del tubo inductor reduce la velocidad y la turbulencia creada en el punto de inyección, mientras disminuye las pérdidas por flasheo de vapor y ruido. En todos los casos se debe instalar una válvula check, tan cerca como sea posible del DA, en la descarga de la trampa y en la línea de retorno de condensado para evitar la retroalimentación. Cuando coloque un Tubo Inductor, este debe ser instalado de modo que los orificios estén en posición horizontal. El vapor es inyectado dentro del tanque en el lado de alta presión para mantener la presión de operación deseada. Para regular la presión se usa una Válvula Reguladora de Presión (PRV).
97
Instalaciones
Capítulo V
CONEXIONES DEL DEAEREADOR Válvula de Alivio
Cada Deaereador está equipado con una válvula de seguridad para evitar el exceso de presión en el tanque. Esta válvula normalmente está calibrada en 50 psi. La Válvula de Alivio debe descargar a la atmósfera y en una dirección que no cause daño al personal o al equipo. La tubería de descarga no debe contener ninguna válvula u otra obstrucción que pueda impedir la descarga de vapor.
Válvula de Regulación de Presión de Retroceso
Un Regulador de Presión de Retroceso es usado para ayudar a mantener una presión de operación estable en el DA. Esta válvula se coloca debajo de las válvulas de seguridad y venteará durante periodos menores de exceso de presurización.
SEMI-CERRADO Este tema fue expuesto en el Capítulo III de Periféricos de un Generador de Vapor Clayton. OTA: Cuando la elevación adecuada del Tanque Receptor no es posible, se requiere un Cabezal de 10 galones para el Tanque. Un Cabezal proporciona al Tanque la presión necesaria de alimentación positiva al serpentín durante un paro húmedo. El Tanque debe ser instalado al menos dos (2) pies sobre la conexión de entrada al Serpentín del Generador de Vapor.
N
TRAMPA DE VAPOR SEPARADORA INSTALACIÓN (Refiérase a las Figuras 1-5, 2-5 y 3-5).
GENERALIDADES Como se muestra en la Figura 3-5 se han diseñado tres tamaños de Trampas Separadoras para manejar un amplio rango de caballos caldera de potencia. Las dimensiones típicas para cada Trampa Separadora se proporcionan en la misma figura. Se proporciona el tamaño de las líneas para las conexiones de la Trampa Separadora y debe mantenerse a plena carga (sin reducciones). La Trampa Separadora y las conexiones de tubería deben ser soportadas adecuadamente. La Trampa Separadora es mantenida a la misma presión y nivel de agua del Tanque Receptor y debe ser instalado a una elevación que ponga el nivel de agua en el punto medio del nivel de cristal.
VENTEO DE LA TRAMPA SEPARADORA La línea de venteo de la Trampa Separadora debe ser lo suficientemente larga para manejar el vapor flash con una pequeña o sin caída de presión y sin afectar el nivel de agua. El tamaño adecuado de las líneas de venteo para rangos específicos de caballaje se indica en las Figuras 1-5 y 5-2 y no debe ser reducido. En aplicaciones con Deaereador (DA) el vapor flash venteado debe ser introducido en la misma sección que el Deaereador como la Válvula Reguladora de Presión (PRV) de inyección de vapor. En aplicaciones con sistema abierto, la línea de venteo debe ser introducida en la parte superior del Tanque Receptor. Refiérase a la Figura 1-5. La salida de la Trampa Separadora es unida a la línea de suministro de agua de alimentación de las(s) Bomba(s) de Refuerzo desde el Tanque Receptor común. La salida de la tubería debe ser 98
Capítulo V
Generador de Vapor /Agua Caliente
construida para que proporcione el NPSH requerido por la entrada de la(s) bomba(s) de refuerzo. (Reste cualquier pérdida por fricción del NPSH disponible). La salida de la tubería debe contener un número mínimo de codos y acoplamientos y sin válvulas o válvulas check.
LÍNEAS DE SUMINISTRO DEL TANQUE RECEPTOR Debe hacerse lo necesario para que el Tanque Receptor de Agua de Alimentación tenga líneas de alimentación independientes para el suministro de agua de alimentación a la caldera Clayton y a la convencional. Si no son aisladas, existe el riesgo potencial de que las grandes bombas de agua de alimentación para el sistema de calderas convencionales, saquen el agua de la Trampa Separadora y la envíen lejos del sistema de suministro de agua de alimentación Clayton. Esto corrompe el tratamiento químico en ambos sistemas y puede causar falta de agua y problemas de cavitación de bomba en el sistema Clayton. Si no es posible que las líneas de alimentación estén independientes se debe instalar una válvula check de columpio en la línea de suministro de agua de alimentación para evitar el contraflujo lejos del sistema Clayton. (Refiérase a la figura 1-5)
99
Instalaciones
Capítulo V
FIGURA1- 5. SEPARADOR DE VAPOR CON TANQUE RECEPTOR DE AGUA DE ALIMENTACIÓN ABIERTO
100
Capítulo V
Generador de Vapor /Agua Caliente
FIGURA 2-5. SEPARADOR DE VAPOR CON TANQUE DEAEREADOR
101
Instalaciones
Capítulo V
FIGURA 3-5. DIMENSIONES DE LA TRAMPA SEPARADORA
102
Capítulo V
Generador de Vapor /Agua Caliente
SISTEMAS DE COMBUSTIBLE GENERALIDADES Los Generadores de Vapor Clayton están diseñados para operar en gas natural (o propano), diesel (No. 2 destilado) o combustóleo (No. 6 residual). El Quemador Estándar Combinado Clayton está diseñado para trabajar con encendido a gas y diesel sin necesidad de ser quitado al cambiar de un combustible a otro. Las características y criterios de instalación para ambos sistemas de gas y diesel se describen con detalle en los siguientes párrafos. OTA: Es responsabilidad del instalador asegurar que toda la tubería y montajes estén calibrados adecuadamente (tipo de material, etiquetas, temperatura, presión) para el sistema de aplicación pensado. También es responsabilidad del instalador el diseño de todos los sistemas de tubería para así asegurar el flujo especificado por Clayton y que los requerimientos de presión (Tabla 5-5) sean satisfechos.
N
GAS NATURAL El Tren de Gas Clayton está diseñado y construido de acuerdo con los criterios de UL, Industrial Risk Insurers (IRI), y Factory Mutual (FM). Esto consiste de un arreglo de válvula de “bloque doble y purga” con prueba de interruptores del cierre en ambas válvulas de seguridad de cierre de gas. Los interruptores de presión de alta y baja (con restauración manual) también son proporcionados. A menos que se declare lo contrario, el Quemador Estándar de Gas Clayton está diseñado para que opere usando una línea de tubería de calidad de gas natural. El tamaño de las conexiones del suministro de gas y el porcentaje de flujo de gas para cada Modelo se proporciona en las Tablas 5-5 y 6-5. El tamaño de la línea de suministro de gas debe ser lo suficiente larga para proporcionar tanto la presión de suministro como el flujo a plena carga indicado en la Tabla 5-5, sin “curvarse” (caída de presión). La presión de suministro de gas no debe variar más que un máximo o un mínimo de 5% de la presión normal de suministro. Todas las conexiones de suministro de gas deben incluir una pierna colectora de 31 cm (12’’) inmediatamente antes del tren de gas. Si se espera que la presión de suministro exceda los 0.7 kg/cm2 (10 psi) del límite de la presión de suministro, se debe proporcionar un regulador de presión. Los reguladores deben ser seleccionados para que rebasen un 25% de exceso de gas en la posición totalmente abierta con mínima caída de presión. Para los siguientes dispositivos, se deben proporcionar líneas de venteo (Refiérase a los códigos locales con respecto a venteo múltiple): •
Ambos interruptores de presión de gas, de alta y de baja (1/8 pulg).
•
Válvula de venteo (el tamaño varía con el Modelo).
SUMINISTRO DE COMBUSTIBLE EN FORMA DE VAPOR En el caso de combustibles líquidos se recomienda que el gas sea quemado en forma vapor debido a que si este es enviado al quemador en pequeñas partículas no causa ningún peligro al ser combustionado con uniformidad y se quema más eficientemente. Si el combustible es jalado en forma de líquido, el chorro de combustible se esparcirá por el tanque mismo, en forma de fuente, pudiendo incendiarse e inclusive causar la explosión del tanque. Para evitar esto, se recomienda el uso de un vaporizador, el cual estará vaporizando la superficie del combustible para que éste gas vapor, sea quemado sin ningún problema. Esto se ilustra en la Figura 4-5.
103
Instalaciones
Capítulo V
FIGURA 4-5
N
OTA: Generalmente los gaseros traen su lista en kg/h y en L/h, la diferencia en esto radica en la fase en la cual se encuentra el combustible.
El factor de conversión es el siguiente: 1,000 L/1.85 = 540 kg Es decir, un kilogramo equivale a 1.85 L. También se puede tomar la densidad del gas autorizada por la SENER (Secretaría de Energía). La densidad del gas es 0.540; o también un litro son 0.540 kilogramos. La siguiente es una tabla de vaporización de recipientes estacionarios de acuerdo a su capacidad en litros de Gas LP. Capacidad Litros 300 500 750 1000 1500 1800 2600 3700 3750 5000
Vaporización BTU/h 195000 321000 400550 505610 766080 797960 1229070 1403140 1437760 1671320
Vaporización L/h 7.543 12.439 15.500 19.556 29.649 30.880 47.565 54.303 55.645 64.682 TABLA 4-5
104
Vaporización m3/h 2.193 3.616 4.506 5.688 8.619 8.977 13.827 15.786 16.176 18.803
Vaporización kcal/h 49140 81020 100945 127422 193064 201098 309745 353614 362339 421200
Capítulo V
Generador de Vapor /Agua Caliente
DIESEL GENERALIDADES Los Quemadores Clayton de Diesel son del tipo de quemador de aire de atomización. Instrumentos o aire comprimido son usados como medio de atomización. El suministro de aire a ser usado para atomizar el diesel debe estar libre de contaminación y humedad. La línea del secador de aire debe estar instalada en la línea de suministro de aire de atomización. La presión de suministro de aire de atomización y los requerimientos de flujo se proporcionan en la Tabla 6-5. El tamaño de la conexión de suministro de aire de atomización para todos los modelos es de 1.3 cm (0.5’’). El quemador para diesel de Clayton está diseñado para operar con diesel No. 2 como lo define la ASTM D 396 – Especificaciones Estándar de Combustibles Diesel. Una Tabla de Especificaciones indica los límites de los componentes del combustible diesel y sus características proporcionadas. Refiérase al Documento R-8571 (Especificaciones para Combustóleo).
N
OTA: Las instalaciones bajo la jurisdicción de Factory Mutual (FM) requieren una válvula de paro activada por fusible en la línea de suministro de combustible diesel. Esto no está dentro del alcance de suministro de Clayton y debe ser proporcionado
por el instalador.
El Quemador de Combustible Diesel puede ser adquirido ya sea con sistema de combustible diesel (No. 2) o piloto a gas. El piloto a gas es surtido con el equipo estándar. El piloto de combustible de gas puede ser para gas natural o gas LP. Refiérase a los códigos Estatales, Locales y EPA para requerimientos de almacenamiento de combustible diesel.
TANQUE DE ALMACENAMIENTO El almacenamiento del combustible líquido, generalmente se hace en tanques cilíndricos, los cuales están al nivel del piso o debajo de él. Todos los tanques de almacenamiento de combustible deben ser construidos de acuerdo con los códigos locales y la EPA. Los tanques deben contar con registros pasa-hombre para limpieza y mantenimiento, así como también con los coples necesarios para llenado, ventilación, medición, extracción, retorno y purga. Cuando los tanques son subterráneos, es conveniente acondicionar el lugar para inspecciones periódicas. Por otro lado, si usa un tanque sobre el suelo, este debe ser cubierto con aislamiento a prueba de agua. Los diámetros de las líneas de succión y retorno, juegan un papel muy importante en la vida de la bomba de combustible, pues de ellas dependen las restricciones que se le impongan a la misma.
BOMBA DE TRANSFERENCIA El combustible diesel es bombeado desde el tanque de almacenamiento hacia la bomba Clayton de combustible a través de una bomba de transferencia, proporcionada por el cliente. Esta bomba debe ser de desplazamiento positivo (de engranes o similar) y tener una capacidad de dos veces el volumen total del quemador. Cuando elija el tamaño de esta bomba debe considerar la capacidad de generación de vapor futura. La bomba debe tener la habilidad de regresar el volumen del tanque en una semana. En el lado de la succión de la bomba de transferencia debe instalar un filtro adecuado de combustible. Este filtro eliminará partículas extrañas que pueden dañar las bombas de transferencia y de combustible del generador. El filtro debe tener una malla no mayor de 0.0381 cm (0.015’’). La presión de entrada hacia la bomba Clayton no debe exceder 1.8 kg/cm2 (25 psi). Una presión de entrada mayor a esto dañará los sellos de la bomba.
105
Instalaciones
N
Capítulo V OTA: La bomba de transferencia debe estar equipada con una válvula de pie para evitar que el combustible sea devuelto hacia el tanque de almacenamiento.
Ambas bombas, la de transferencia y la Clayton de combustible deben correr continuamente, circulando el diesel bajo presión a través de los cabezales del quemador. El exceso de combustible fluye a través del Regulador de Presión de Combustible a la entrada de la bomba de combustible. En el ciclo de apagado del quemador, la válvula de Recirculación de Combustible abre y encamina el combustible a la entrada de la bomba de combustible. Este combustible está a una temperatura mayor que el combustible en la transferencia. Con este sistema, todos los combustibles con alta temperatura son restringidos de vuelta al quemador. El combustible calentado en la transferencia debe estar limitado a -6.7ºC (20ºF1) debajo del punto de flama (esta temperatura depende de la viscosidad del combustible).
LÍNEA DE SUMINISTRO Y DE RETORNO Instale líneas de suministro de combustible y de retorno hacia la bomba de combustible desde el tanque de almacenamiento, usando una tubería de tamaño adecuado para el flujo requerido. El sistema de suministro de combustible dependerá del diseño del quemador, tanque de almacenaje, grado del diesel, número de generadores, y códigos locales.
MODELO ESPECIFICACIONES A. Salida neta de calor (Btu/h)
E-20
E-40
E-60
E-100
669,500
1,339,000
2,008,500
3,347,500
B. Salida total de vapor (lb/h)
690
1,380
2,070
3,450
Presión de diseño (psi)
65-500
15-500
15-500
15-500
Presión de operación del vapor (psi)
60-450
12-450
12-450
12-450
81
81
80
82
80
80
78
80
1
1-1/2
5
7.5
1/2
2
(combinado)
(combinado)
C. Eficiencia térmica al 100% de carga de fuego, c/s SE (%): Diesel Gas D. Tamaño del motor (arriba de -3 de diseño) Ventilador (hp) Bomba de Agua (hp) E. Amperaje a plena carga (FLA) (arriba de -3 de diseño, c/s SE) F. Consumo de diesel, c/s SE (gph) 3
G1. Consumo de gas natural, c/s SE (pies /h) G2. Presión de suministro de gas (‘’.c.a.)
10 amp
7.5 amp
10.5 amp
@ 460 V
@ 460 V
@ 460 V
5.9
11.8
17.8
29.2
837
1,674
2,575
4,180
8
8
8
8 530
106
212
318
Área de entrada aire libre (pies )
6
6
6
6
Diámetro Escape de Chimenea, d.e. (pulg)
8
12
15
18
H. Suministro de agua (gph) 2
a
10 amp @ 230 V
Los valores mostrados son nominales y no están garantizados. TABLA 5-5. ESPECIFICACIONES DE LOS GENERADORES DE ENCENDIDO POR PASOS
1
Del manual de instrucciones pag S-6 106
E-204
12-450
12-450
Presión de diseño (psi)
Presión de operación del vapor (psi)
10 7-1/2
7/1/2 5
25 60 41
41
Gas
D. Tamaño del motor (arriba de -3 de diseño) Ventilador (hp) Bomba de Agua (hp)
E. Amperaje a plena carga (a 460 V) (arriba de -3 de diseño), estándar
GR/LONX
F1. Consumo de diesel, c/s SE (gph)
F2. Consumo de diesel, con SE (gph)
107 5,907
5-10 795
G2. Consumo de gas natural, c/s SE (pies /h)
G3. Presión de suministro de gas (psi)
H. Suministro de agua (gph)
TABLA 6-5. ESPECIFICACIONES DE LOS GENERADORES MODULANTES 18
Diámetro Escape de Chimenea (pulg)
Superficie de Calentamiento (pies )
473
6
Área de entrada de aire libre (pies ) 2
25
flujo (scfm) 2
70
presión (psi)
Aire de Atomización (sólo encendido diesel)
3
6,050
G1. Consumo de gas natural, con SE (pies /h)
3
82/85
83/85
473
18
6
25
70
1,065
5-10
7,876
8,167
55
57
40
35
84/87
85/87
Diesel
C. Eficiencia térmica al 100% de carga de fuego, c/s SE (%):
6,900 15-500
5,175 15-500
B. Salida total de vapor (lb/h)
6,695,000
E-154
5,021,250
MODELO
A. Salida neta de calor (Btu/h)
ESPECIFICACIONES
473
24
6
25
70
1,325
5-10
9,846
10,206
68
71
40
40
10
10
82/85
84/87
12-450
15-500
8,625
8,368,750
E-254
594
24
9
25
70
1,590
5-10
11,815
12,247
82
85
50
45
10
10
82/85
84/87
12-450
15-500
10,350
10,042,500
E-304
594
24
9
25
70
1,855
5-10
13,784
14,288
96
99
80
70
15
25
82/85
84/87
12-450
15-500
12,075
11,716,250,
E-354
912
32
12
30
70
2,120
5-10
15,753
16,329
110
115
80
70
7.5 (x2)
20
82/85
83/87
60-450
65-500
13,800
13,390,000
E-404
912
32
12
30
70
2,651
5-10
19,691
20,412
138
143
90
80
10 (x2)
25
82/85
83/86
60-450
65,500
17,250
16,737,500
E-504
1,230
32
15
30
70
3,181
5-10
12,629
24,199
168
168
125
110
15 (x2)
40
83/85
85/87
60-450
65-500
20,700
20,085,000
E-604
Capítulo V Generador de Vapor /Agua Caliente
Instalaciones
Capítulo V
INFORMACIÓN SUPLEMENTARIA
N
OTA: Todos los valores son ajustados a máxima carga de fuego.
A. La salida de calor neto se calcula multiplicando los caballos caldera de potencia por 8436 kcal/h (33,475 Btu/h). La entrada de calor neto puede ser calculada dividiendo la salida de calor neto por la eficiencia. B. La salida de vapor total, desde y a 100ºC (212°F), es calculada multiplicando los caballos caldera de potencia por 15.65 kg/h (34.5 lb/h). C. La Eficiencia Térmica se basa en el valor del poder calorífico superior o calor total (kcal o Btu) del combustible. Las eficiencias mostradas son representativas. Debido a las tolerancias de fabricación pueden ocurrir pequeñas variaciones. Consulte al fabricante con respecto a los valores garantizados. D. Consulte al fabricante con respecto a la potencia del motor para Unidades con presiones de diseño superiores a 21 kg/cm2 (300 psi). E. Excepto donde se indique, el amperaje ajustado a plena carga (FLA) es para 460 VCA del suministro de voltaje principal. Vea la Tabla 25-5 de eléctricos, para obtener FLA para otros voltajes. Consulte al fabricante con respecto a FLA para Unidades con presiones de diseño superiores a 21 kg/cm2 (300 psi). F. El consumo de diesel está basado en 9360 kcal/L (140,600 Btu/gal) del diesel No. 2 de calidad normal comercial (ASTM D396). G. El consumo de gas natural está basado en 8899 kcal/m3 (1000 Btu/pie3) de gas. Use la siguiente fórmula para determinar el consumo de gas para gases con otros valores de calor:
⎛ 100 ⎞⎛ 1m 3 ⎞ ⎛ 8436 kcal/h ⎞ ⎟ ⎜⎜ ⎟⎟⎜⎜ ( ) Consumo de Gas = ⎜ BHP ⎟ ⎟ BHP ⎠ ⎝ ⎝ η ⎠⎝ PC ⎠
(1-5)
Donde: η = Eficiencia PC = Poder Calorífico del Combustible (kcal) H. El suministro de agua está basado en 20 kg/h (44 lb/h) por caballo caldera de potencia.
COMBUSTÓLEO (Modelos E-154 a E-504) INFORMACIÓN GENERAL Cuando el quemador trabaja con combustóleo, se requiere de un manejo especial, almacenaje, mantenimiento, y operación adecuada. Esta sección se propone como una guía general para ayudar al instalador en la adecuada preparación del sitio donde se estará usando combustóleo. Debe considerar cuidadosamente los códigos locales y los requerimientos cuando trate con combustóleo. El instalador debe observar los estándares establecidos por la Agencia Nacional de Protección de Incendio (NFPA), el Código Nacional Eléctrico (NEC) y la Agencia de Protección Ambiental (EPA). El combustóleo normalmente es una mezcla de destilado y residuos o incluso crudos de petróleo. Para mantener los hidrocarburos separados en el almacenamiento esta mezcla debe ser calentada a 10ºC (50º F) sobre el punto de vertido. Si se permite que la mezcla de hidrocarburos se enfríe entonces estos pueden separarse y formar un lodo en el fondo del tanque. (Refiérase a la carta R8571 para viscosidad y temperaturas.)
108
Capítulo V
Generador de Vapor /Agua Caliente
EQUIPO DE PRECALENTAMIENTO DE COMBUSTIBLE (Vea el Diagrama de Flujo para el Sistema de Combustóleo) Las unidades Clayton de encendido a combustóleo usan un quemador de aire de atomización. Para la combustión adecuada la viscosidad del combustóleo debe tener un mínimo de 55 de Saybolt Seconds Universal (SSU). Para combustibles con alta viscosidad, se debe aplicar un calentamiento controlado. La temperatura a la cual el combustible debe ser calentado varía con la viscosidad inicial del mismo. (Vea carta T-8571). Para cumplir con los requerimientos de elevación de temperatura se proporcionan dos cabezales.
TANQUE DE ALMACENAMIENTO Todos los tanques de almacenamiento de combustible deben ser construidos de acuerdo con los códigos locales y la EPA. Para mantener la temperatura en el tanque de almacenamiento de combustible diesel, el tanque tiene que ser calentado a un mínimo de 38º - 54ºC (100º - 130ºF). El cabezal del tanque puede operar en agua caliente, vapor, o electricidad. Si se tiene vapor o agua caliente para un arranque en frío, estos son el método más económicos de calentamiento del tanque. Normalmente, los serpentines de calentamiento son colocados 15 cm (6’’) sobre el nivel más bajo en el tanque. No es necesario tener un calentamiento uniforme a través del tanque si el retorno de combustible está en el extremo opuesto de la succión de la bomba puesto que esto proporciona una circulación positiva a través del tanque. El calentamiento adicional debe ser proporcionado con una campana de calentamiento en el punto de succión de la bomba. Si usa el vapor del sistema generador para calentar el tanque, este debe ser entubado para su desecho.
CALENTADOR DE INMERSIÓN ELÉCTRICO Con el generador se proporciona un Calentador de Inmersión Eléctrico. Este es controlado por un Interruptor Controlador Magnético el cual está controlado a su vez por el Interruptor Termostático Calentador de Combustóleo. Este interruptor está ajustado a un punto de corte ligeramente inferior (10º-15º F) que la temperatura de operación del vapor. Esto permite al vapor hacer la mayoría del calentamiento. El calentador eléctrico es usado principalmente durante el arranque cuando no hay disponible suficiente vapor.
N N
OTA: Las líneas de suministro de combustóleo y la de retorno deben estar diseñadas para el calor (vapor o eléctrico) y ser aisladas. No use tuberías galvanizadas. OTA: Todas las unidades con encendido a combustóleo deben arrancar y parar usando diesel No. 2.
ESCAPE DE LA CHIMENEA El escape de la chimenea en Generadores con encendido a combustóleo debe ser recto y estar libre, con una entrada lateral, y un colector de ceniza. La primera sección de salida del generador debe ser fácilmente removible, y contener una puerta de acceso para lavado con agua así como una abertura para un termómetro. Cualquier parte de la chimenea que está dentro del edificio debe ser aislada para reducir las pérdidas de calor por radiación y vibraciones por ruido. La chimenea debe ser construida de acero inoxidable para su duración. Las chimeneas verticales con una altura por arriba de tres pies pueden necesitar un Damper Barométrico.
109
Instalaciones
Capítulo V
FIGURA 5-5. DIAGRAMA DE FLUJO – SISTEMA DE COMBUSTÓLEO (ILUSTRACIÓN ROTADA 90º A LA IZQUIERDA)
110
Capítulo V
Generador de Vapor /Agua Caliente ESPECIFICACIONES DE COMBUSTÓLEO – DOCUMENTO R-8571
La siguiente tabla de conversión se usa siempre junto con la Tabla de Temperatura-Viscosidad y no está pensado usarla como una conversión directa de viscosidad. Use esta carta sólo cuando la escala deseada no esté en la Tabla de Temperatura-Viscosidad. (La medida de temperaturas sólo es para una referencia). La alineación de la Tabla es para comparación de escalas de viscosidad. Use una regla para leer las escalas horizontales, en los extremos izquierdo y derecho las escalas son idénticas.
TABLA 7-5
111
Instalaciones
Capítulo V
E-60/100/151/155/201/205/405/505 GENERADORES DE VAPOR CLAYTON EQUIPADOS CON PRECALENTAMIENTO DE DIESEL
ESPECIFICACIONES DE COMBUSTÓLEO Los Generadores Clayton requieren de ajustar el Calentador para satisfacer una viscosidad especificada. Todos los combustibles diesel deben tener deliberadamente una viscosidad uniforme. Los límites de variación de viscosidad son de máximo 10% a mínimo 50% para Quemadores con Aire de Atomización. Las siguientes especificaciones cubren el rango de Combustible Grado No. 4, 5 y diesel No. 6 de acuerdo con la Estándar Comercial CS-12-48 emitida por el Departamento de Comercio U. S. y ASTM Especificación D-396-64T.
Los límites legales locales pueden reemplazar éstas regulaciones. Descripción del Suministro de Combustible Requerido
Preferido
Límite
Gravedad, Grados API a 15°C (60°F) Gravedad, Específica, a 15°C (60°F) Punto de Flama, Pensky-Martens, °F Viscosidad, Saybolt Seconds Furol a 50°C (122°F) (SSF) Sulfuro, %, Sujeto a regulaciones locales Sedimento y agua, por ciento por volumen % Residuos de carbón, (en 10% residuo) Ceniza, por ciento en peso Vanadio, partes por millón
14-26 0.90-0.97 150-230 45 máx. 0.5 máx. 0.5 máx. 5-10 0.05 máx. 50 máx.
10 mín. 1 máx. 150 mín. 175 mín. 2.0 máx. 1.0 máx. 15 máx. 0.10 máx. 100 máx.
(Aproximado) BTU por galón kcal/l
Poder Calorífico Superior 150,000 9,960
Poder Calorífico Inferior 142,000 9,370
ESPECIFICACIONES DE DIESEL Descripción del Suministro de Combustible Requerido
Preferido
Límite
Gravedad, Grados API a 15°C (60°F) Gravedad, Específica, a 15°C (60°F) Punto de Flama, Pensky-Martens, °F Viscosidad, Saybolt Seconds Universal a 38°C (100°F) (SSF) Viscosidad cinemática a 20°C (68°F) (Centistokes) Punto de rocío, °F Sedimento y agua, por ciento por volumen Sulfuro, porcentaje % Residuo de carbón (en 10% de residuo)
30-48 0.84-0.87 160-180 35-45 4-9.5 máx. 0.0 máx. Ninguno 0.5 máx. 0.02 máx.
26 mín. 0.80-0.90 130 mín.-230 máx 45 máx. 9.5 máx. 15 máx. 0.10 máx. 0.8 máx. 0.25 máx.
Rango de destilación ASTM Punto de Ebullición Inicial, °F Punto de Ebullición Inicial, °C 90% Recuperación, °F 90% Recuperación, °C Punto final, °F Punto final, °C
350-375 177-190.5 600-625 316-329 675-725 357-385 (Aproximado) BTU por galón kcal/l
Poder Calorífico Superior 142,600 9,509
112
400 máx. 204 máx. 675 máx. 357 máx. 735 máx. 390.5 máx. Poder Calorífico Inferior 135,000 9,006
Capítulo V
Generador de Vapor /Agua Caliente
FIGURA 6-5. MODELOS E-60/100/151/155/201/205/405/505
113
Instalaciones
Capítulo V
E-255/305/355 GENERADORES DE VAPOR CLAYTON EQUIPADOS CON PRECALENTAMIENTO DE DIESEL
ESPECIFICACIONES DE COMBUSTÓEO Los Generadores Clayton requieren de ajustar el Calentador para satisfacer una viscosidad especificada. Todos los combustibles diesel deben tener deliberadamente una viscosidad uniforme. Los límites de variación de viscosidad son de máximo 10% a mínimo 50% para Quemadores con Aire de Atomización. Las siguientes especificaciones cubren el rango de Combustible Grado No. 4, 5 y diesel No. 6 de acuerdo con la Estándar Comercial CS-12-48 emitida por el Departamento de Comercio U. S. y ASTM Especificación D-396-64T.
Los límites legales locales pueden reemplazar éstas regulaciones. Descripción del Suministro de Combustible Requerido
Preferido
Límite
Gravedad, Grados API a 15°C (60°F) Gravedad, Específica, a 15°C (60°F) Punto de Flama, Pensky-Martens, °F Viscosidad, Saybolt Seconds Furol a 50°C (122°F) (SSF) Sulfuro, %, Sujeto a regulaciones locales Sedimento y agua, por ciento por volumen % Residuos de carbón, (en 10% residuo) Ceniza, por ciento en peso Vanadio, partes por millón
14-26 0.90-0.97 150-230 175 máx. 0.5 máx. 1.0 máx. 5-10 0.05 máx. 50 máx.
10 mín. 1 máx. 150 mín. 300 mín. 2.0 máx. 2.0 máx. 15 máx. 0.10 máx. 100 máx.
(Aproximado) BTU por galón kcal/l
Poder Calorífico Superior 150,000 9,960
Poder Calorífico Inferior 142,000 9,370
ESPECIFICACIONES DE DIESEL Descripción del Suministro de Combustible Requerido
Preferido
Límite
Gravedad, Grados API a 15°C (60°F) Gravedad, Específica, a 15°C (60°F) Punto de Flama, Pensky-Martens, °F Viscosidad, Saybolt Seconds Universal a 38°C (100°F) (SSF) Viscosidad cinemática a 20°C (68°F) (Centistokes) Punto de rocío, °F Sedimento y agua, por ciento por volumen Sulfuro, porcentaje % Residuo de carbón (en 10% de residuo)
30-48 0.84-0.87 160-180 35-45 4-9.5 máx. 0.0 máx. Ninguno 0.5 máx. 0.02 máx.
26 mín. 0.80-0.90 130 mín.-230 máx 45 máx. 9.5 máx. 15 máx. 0.10 máx. 0.8 máx. 0.25 máx.
Rango de destilación ASTM Punto de Ebullición Inicial, °F Punto de Ebullición Inicial, °C 90% Recuperación, °F 90% Recuperación, °C Punto final, °F Punto final, °C
350-375 177-190.5 600-625 316-329 675-725 357-385 (Aproximado) BTU por galón kcal/l
Poder Calorífico Superior 142,600 9,509
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400 máx. 204 máx. 675 máx. 357 máx. 735 máx. 390.5 máx. Poder Calorífico Inferior 135,000 9,006
Capítulo V
Generador de Vapor /Agua Caliente
FIGURA 7-5. MODELOS E-255/305/355
115
Instalaciones
Capítulo V
TUBERÍA GENERALIDADES Toda la tubería conectada al Generador de Vapor debe ser adecuadamente fijada y soportada para asegurar que no haya tensión o carga excesiva en las conexiones de la tubería. Los puntos de conexión de Clayton no son puntos fijos. El cliente es responsable de asegurar que ninguna vibración sea transferida al o desde el equipo Clayton. Se recomiendan resortes de carga para soportar la tubería. Todas las conexiones del cliente están limitadas a ± 90 kg (200 libras) de carga y ± 7 m-kg (50 pies-libra) de torque en todas direcciones (X, Y, y Z). Las conexiones de suministro de combustible y de aire no están diseñadas para carga. La ruta de la tubería no debe ser obstruida o provocará algún riesgo de inseguridad potencial, tal como el choque eléctrico. Deberán ser consideradas trincheras para minimizar obstrucciones en la tubería. La tubería usada para traslado de un fluido caliente debe ser aislada debidamente. Para conexiones de puntos donde es necesario proporcionar suficiente y conveniente desconexión de equipo y tubería se deben usar uniones de tubería o bridas. Las conexiones de vapor, gas y aire deben entrar o salir de la parte superior del cabezal. Fluidos tales como aceite y agua, deben entrar o salir del fondo del cabezal. Las conexiones de suministro de gas deben tener una pierna colectora de 30.5-45.7 cm (12-18 pulg) justo antes de las conexiones Clayton de combustible. El uso de metales diferentes genera corrosión galvánica; por lo tanto, esto debe evitarse. En todas las conexiones de descarga del equipo Clayton que puedan requerir apriete periódico, se recomiendan las válvulas de globo, de otro modo debe usar válvulas de compuerta o de bola para disminuir las caídas de presión.
LÍNEA DE DISTRIBUCIÓN DE VAPOR GENERALIDADES El vapor producido en el generador de vapor debe ser conducido a través de las tuberías hasta el punto en que se requiere su energía calorífica. La tubería, inicialmente se encuentra fría y, por lo tanto absorbe calor del vapor. Por otro lado, el aire que rodea las tuberías está más frío que el vapor y en consecuencia, la tubería transfiere calor al aire. Como el vapor fluye hacia un medio más frío, comenzará a condensar inmediatamente. Esta condensación causará a su vez una caída de presión induciendo así el flujo del vapor a través de las tuberías. El flujo de vapor depende de ésta diferencia de presiones, de la resistencia de la tubería al flujo y de las características físicas del vapor. El condensado resultante, debido a la densidad y a la gravedad, irá a la parte inferior de la tubería y será arrastrado a lo largo de ésta por el mismo flujo de vapor. Este condensado en los puntos bajos de la tubería de distribución debe ser purgado. Mientras el proceso siga requiriendo calor, la unidad deberá generar más vapor, para hacerlo, será necesario alimentarla con más combustible y bombear más agua a su interior para reemplazar el agua que ha sido evaporada. El condensado formado en la tubería de distribución, es agua ya caliente y puede ser nuevamente usada para la alimentación del generador, pues aún conserva una cantidad considerable de energía calorífica, por lo que, se puede aprovechar retornándola al tanque de almacenamiento de agua que alimenta al generador, esto se conoce como “retorno de condensado”. 116
Capítulo V
Generador de Vapor /Agua Caliente
Debido a que el vapor ocupa un volumen específico en función de la presión, se debe dimensionar la tubería por la cual va a fluir hasta su utilización. Los datos comunes con los que se debe contar para calcular las dimensiones de una línea de vapor son: • Flujo de vapor. • Presión del flujo. • Caída de presión permisible. • Longitud total de la línea (longitud de la línea horizontal más la longitud equivalente de las válvulas, codos, conexiones, etc.) Pero, antes que nada, la pregunta es, ¿cuál es la presión requerida por el proceso? Esta pregunta radica en el hecho de que conforme el vapor recorre la tubería, pierde fuerza (presión) a causa de la fricción y del intercambio de calor y es posible que al llegar a su punto de utilización, no cumpla con la presión demandada.
PRESIÓN DE TRABAJO La presión de trabajo es aquélla que es demandada por el proceso, y no es necesariamente la misma que la de distribución debido a las razones ya antes mencionadas. Considerando los puntos siguientes: 9
Presión requerida en el punto de utilización.
9
Caída de presión a lo largo de la tubería.
9
Pérdidas de calor en la tubería.
Se puede decir de qué capacidad será el Generador de Vapor y las dimensiones de la tubería de distribución que satisfagan la presión de trabajo requerida. Como se sabe, el vapor a alta presión ocupa menos volumen por kilogramo que el vapor a baja presión. Por tanto, si el vapor se genera en la unidad de calentamiento a una presión superior a la requerida para su aplicación y se distribuye a esta presión superior, el tamaño de las tuberías de distribución será mucho menor para cualquier caudal. La Figura 8-5 ilustra este punto.
FIGURA 8-5. VAPOR SATURADO SECO – RELACIÓN PRESIÓN/VOLUMEN ESPECÍFICO
117
Instalaciones
Capítulo V
CÁLCULO DE TUBERÍAS DE VAPOR Existen dos métodos para calcular una tubería de distribución de vapor, estos son: •
Velocidad del Fluido.
•
Caída de Presión.
DIMENSIONADO DE TUBERÍAS SEGÚN VELOCIDAD DE VAPOR Si se dimensiona la tubería en función de la velocidad, entonces los cálculos se basan en el volumen de vapor que se transporta con relación a la sección de la tubería. Para tuberías de vapor seco la experiencia demuestra que son razonables las velocidades entre 2540 m/s, pero deben considerarse como el máximo sobre la cual aparecen el ruido y la erosión, particularmente si el vapor es húmedo. Incluso estas velocidades pueden ser altas en cuanto a sus efectos sobre la caída de presión. En líneas de suministro de longitudes considerables, es frecuentemente necesario restringir las velocidades a 15 m/s si se quieren evitar grandes caídas de presión. Utilizando la Tabla 8-5 como guía, es posible seleccionar las medidas de tubería a partir de la presión de vapor, velocidad y caudal. Alternativamente puede calcularse el tamaño de tubería siguiendo un proceso matemático. Para hacerlo, se necesita la siguiente información: ¾ Velocidad del flujo (m/s)
C
3
¾ Volumen específico (m /kg) v •
m
¾ Caudal másico (kg/s) ¾ Caudal volumétrico (m3/s)
•
V
•
= m (kg/s) x v (m3/kg)
A partir de esta información, se puede calcular el caudal volumétrico de la tubería:
⎛•⎞ Caudal Volumétrico⎜ V ⎟ = Sección(A) x Velocidad del flujo(C) ⎝ ⎠ •
V=
π x D2 xC 4
Despejando el diámetro de la tubería: •
D=
4xV πxC
Un método alternativo para calcular tuberías a partir de la velocidad es empleando la Figura 9-5. Trace una línea vertical desde la temperatura a la cual se encuentra el vapor que va a transportar (punto A) en la escala de temperaturas, hasta la presión a la que se encuentra el vapor que va a transportar (punto B) en la escala de presiones. Desde B trace una línea horizontal hasta el caudal de vapor que va a pasar por la tubería (punto C). Ahora trace una línea vertical hasta la velocidad de vapor de 25 m/s (punto D). Desde D, trace una línea horizontal que cruce la escala de diámetro de tubería (punto E).
118
Capítulo V
Generador de Vapor /Agua Caliente
EJEMPLO: Se requiere dimensionar una tubería para transportar 5000 kg/h de vapor seco saturado a 7 kg/cm2 a una velocidad que no exceda los 1500 m/min. Donde: Velocidad del flujo m/min
u = 1500 m/min
Volumen especifico m3/kg
Vg = 0.2781 m3/kg (de tablas de vapor a 7 kg/cm2)
Caudal másico en kg/min
m = 5000 kg/h = 83.33 kg/min
Caudal volumétrico en m3/min
V = m x Vg = 83.33 x 0.2781 = 23.18 m3/min
•
•
Empleando las ecuaciones anteriores se tiene que: •
D=
4xV = πxu
4 x 23.18 = 0.14 m π x 1500
El diámetro calculado es 0.14 m. Este dato se debe convertir en pulgadas para determinar el diámetro de tubo a usar.
0.14 = 5.52 pulgadas de diámetro interior 0.0254 Se usará un tubo de 6.00 pulgadas de diámetro nominal cédula 80 con un diámetro interior de 5.76’’ (0.146 m). La mayoría de la tubería que se fabrica esta de acuerdo a las normas del ASTM, API, ASME B36.10, en Europa la tubería se fabrica de acuerdo a la norma DIN2448.
DIMENSIONADO DE TUBERÍAS SEGÚN CAÍDA DE PRESIÓN
A veces es esencial que la presión del vapor que alimenta un determinado equipo no caiga por debajo de un mínimo especificado, con el fin de mantener la temperatura, y de este modo asegurar que los factores de intercambio de calor de la planta mantengan las condiciones de plena carga. En estos casos, es apropiado dimensionar la tubería con el método de la “caída de presión”, utilizando la presión conocida en el extremo de alimentación de la tubería y la presión requerida en el punto de utilización. Hay numerosos gráficos, tablas e incluso reglas de cálculo para relacionar la caída de presión con el tamaño de tubería. Un método para dimensionar tuberías basándose en la caída de presión, es el uso de la Figura 10-5, si se conocen las siguientes variables: temperatura del vapor, presión, caudal y caída de presión. Trace una línea vertical desde la temperatura a la cual es transportado el vapor en la escala de temperatura hasta la presión a la cual es transportado el vapor en la escala de presión. Luego, trace una línea horizontal hasta el valor del caudal de vapor que transporta por la línea. Ahora trace una línea vertical hasta la parte superior del gráfico. Trace una línea horizontal desde el valor que corresponde a la caída de presión que maneja su sistema en la escala de pérdida de presión. El punto en que esta línea corta la línea vertical que viene del punto C, determina el tamaño de la tubería que se requiere.
119
Instalaciones
Capítulo V
EJEMPLO:
Se pretende dimensionar una tubería para transportar 20 000 kg/h de vapor recalentado a una presión de 15 kg/cm2 y 300ºC, con una caída de presión de 1 kg/cm2/100 m. Trace una línea vertical desde 300ºC (punto A) en la escala de temperatura hasta 15 kg/cm2 (punto B) en la escala de presión. Desde B, trace una línea horizontal hasta un caudal de vapor de 20 000 kg/h (punto C). Ahora trace una línea vertical hasta la parte superior del gráfico. Trace una línea horizontal desde 1 kg/cm2/100 m en la escala de pérdida de presión (punto D). El punto en que esta línea corta la línea vertical que viene del punto C (punto E), determina el tamaño de tubería que se requiere. En este caso 150 mm.
DIMENSIONADO DE TUBERÍAS MÁS LARGAS Y DE DIÁMETRO MAYOR
Estas tuberías se deben dimensionar utilizando el método de la caída de presión. Los cálculos normalmente consideran presiones y caudales mayores y vapor recalentado. El cálculo utiliza una relación de presiones entre la caída de presión total y las presiones de entrada, que se puede utilizar en la Figura 11-5. También requiere del conocimiento del caudal de vapor, la temperatura y la longitud de la tubería. Observe que las presiones del gráfico son absolutas por lo que a la presión manométrica se le debe sumar la atmosférica. Primero debe encontrarse la relación de presiones:
Relación =
Caída de presión Presión de entrada (abs)
Por otro lado, de la Figura 11-5, desde el valor obtenido en la relación, en la escala de la izquierda, lea horizontalmente hacia la derecha y en la intersección con la curva, lea verticalmente hacia arriba para encontrar la línea de longitud de la tubería. En este punto, extienda la línea horizontal. Ahora trace una línea horizontal hacia la derecha hasta encontrar la línea del valor del caudal que cruza por la línea de vapor, y desde este punto trace hacia arriba una línea vertical. El tamaño de la tubería se indica donde esta línea corta a la línea anterior. Este proceso también puede invertirse para encontrar la caída de presión en una tubería de tamaño conocido.
EJEMPLO:
Se quiere dimensionar una tubería para transportar 20 000 litros de vapor por hora a una presión manométrica de 14 kg/cm2 y a una temperatura de 325ºC. La longitud de la tubería es de 300 m y la caída de presión admisible en todo el recorrido es de 0.675 kg/cm2. Recuerde que las presiones del gráfico son absolutas y para un ejercicio de este tipo la proximidad de que 14 kg/cm2 relativos son 15 kg/cm2 absolutos es suficientemente precisa.
Relación =
Caída de presión 0.675 = = 0.045 Presión de entrada (abs) 15
Con base a la Figura 11-5, desde este punto en la escala de la izquierda, lea horizontalmente hacia la derecha y en la intersección (punto A) con la curva, lea verticalmente hacia arriba para encontrar la línea de longitud de 300 m (punto B). En este punto, extienda la línea horizontal hasta el punto C. Ahora trace una línea vertical desde la base, partiendo de la temperatura de 325ºC, hasta que corte con la línea de presión de 15 kg/cm2 absolutos (punto D).
120
Capítulo V
Generador de Vapor /Agua Caliente
Trace una línea horizontal hacia la derecha hasta encontrar la línea de 20 000 litros/hora (punto E), y desde este punto trace hacia arriba una línea vertical. El tamaño de la tubería se indica donde esta línea corta a la línea B – C, en el punto F. Este, muestra un tamaño de tubería de 200 mm.
La línea discontinua A, B, C, D, E, hace referencia al caso de dimensionado de tuberías según la velocidad del vapor. FIGURA 9-5. GRÁFICO PARA DIMENSIONAR TUBERÍAS PARA VAPOR SATURADO Y VAPOR RECALENTADO (MÉTODO DE LA VELOCIDAD)
121
Instalaciones
Capítulo V
La línea discontinua A, B, C, D, E, hace referencia al caso de dimensionado de tuberías según caída de presión.
FIGURA 10-5. GRÁFICO PARA DIMENSIONADO DE TUBERÍAS PARA VAPOR (MÉTODO DE LA CAÍDA DE PRESIÓN)
122
Capítulo V
Generador de Vapor /Agua Caliente
La línea discontinua A, B, C, D, E, hace referencia al caso de dimensionado de tuberías más largas y de diámetro mayor.
FIGURA 11-5. GRÁFICO PARA DIMENSIONADO DE TUBERÍAS PARA LÍNEAS DE DISTRIBUCIÓN MAYORES
123
Instalaciones
Presión Kg/cm²
1.03
1.5
2
3
4
5
6
7
8
9
10
11
12
13
14
Velocidad m/min.
900 1500 2400 900 1500 2400 900 1500 2400 900 1500 2400 900 1500 2400 900 1500 2400 900 1500 2400 900 1500 2400 900 1500 2400 900 1500 2400 900 1500 2400 900 1500 2400 900 1500 2400 900 1500 2400 900 1500 2400
Capítulo V
Tubería cédula 80 kg/h ½ (0.546”) Dia. Int. 4.86 8.11 12.98 6.78 11.30 18.08 8.85 14.76 23.62 13.09 21.82 34.92 17.19 28.66 45.86 21.32 35.53 56.85 25.28 42.14 67.42 29.33 48.89 78.22 33.26 55.45 88.71 37.23 62.05 99.28 41.16 68.59 109.75 45.09 75.15 120.24 49.05 81.75 130.80 52.90 88.17 141.06 58.84 94.73 151.58
¾ (0.742”) Dia. Int. 9.00 15.00 24.00 12.52 20.87 33.39 16.36 27.26 43.63 24.18 40.31 64.49 31.76 52.93 84.70 39.37 65.62 105.00 46.69 77.83 124.53 54.17 90.28 144.45 61.43 102.40 163.84 68.76 114.59 183.35 76.00 126.67 202.68 83.28 138.79 222.07 90.58 150.98 241.57 97.70 162.82 260.52 105.00 175.00 280.00
1.00 (0.957”) Dia. Int. 15.00 25.00 40.00 20.83 34.72 55.55 27.21 45.36 72.57 40.23 67.05 107.28 52.84 88.05 140.89 65.50 109.16 174.16 77.68 129.47 207.14 90.11 150.18 240.29 102.20 170.33 272.54 114.38 190.63 305.00 126.43 210.73 337.16 138.53 230.88 369.41 150.69 251.15 401.84 162.51 270.86 433.37 174.63 291.05 465.68
1-1/4 (1.278”) Dia. Int. 26.70 44.46 71.14 37.15 61.92 99.06 48.53 80.89 129.42 71.74 119.57 191.32 94.22 157.03 251.26 116.80 194.68 311.48 138.53 230.88 369.42 160.70 267.83 428.52 182.26 303.76 486.03 203.97 339.95 543.93 225.48 375.80 601.28 247.04 411.74 658.78 268.73 447.88 716.62 289.82 483.03 772.85 311.43 519.05 830.48
1-1/2 (1.500”) Dia. Int. 36.76 61.26 98.00 51.18 85.29 136.47 66.86 111.43 178.29 98.83 164.72 263.56 129.80 216.34 346.14 160.61 268.19 429.09 190.84 318.07 508.90 221.38 368.96 590.33 251.08 418.47 669.55 281.00 468.32 749.31 310.62 517.70 828.32 340.33 567.21 907.54 370.20 617.00 987.21 399.25 665.42 1064.68 429.02 715.04 1144.06
2.00 (1.939”) Dia. Int. 61.42 102.36 164.00 85.51 142.52 228.04 111.72 186.20 297.92 165.15 275.25 440.41 216.89 361.49 578.39 268.88 448.13 717.01 318.89 531.49 850.37 370.00 616.53 986.45 419.55 699.25 1118.81 469.53 782.55 1252.08 519.04 865.07 1384.11 568.68 947.80 1516.48 618.61 1031.01 1649.62 667.15 1112.00 1779.06 716.89 1194.82 1911.72
2-1/2 (2.323”) Dia. Int. 88.15 147.00 235.07 122.74 204.57 327.30 160.35 267.25 427.62 237.04 395.07 632.12 311.31 518.85 830.16 385.92 643.21 1029.13 457.70 762.84 1220.54 530.94 884.91 1415.85 602.18 1003.64 1605.82 673.92 1123.20 1797.11 745.00 1241.64 1986.61 816.22 1360.37 2176.61 887.88 1479.81 2367.69 957.55 1595.93 2553.49 1029.00 1715.00 2743.88
3.00 (2.900”) Dia. Int. 137.38 229.00 366.35 191.28 318.81 510.09 249.90 416.51 666.42 369.43 615.71 985.13 485.17 808.61 1293.78 601.45 1002.42 1603.87 713.32 1188.86 1902.18 827.46 1379.09 2206.56 938.48 1564.14 2502.62 1050.28 1750.46 2800.74 1161.03 1935.05 3096.08 1272.06 2120.10 3392.17 1383.74 2306.24 3690.00 1492.32 2487.20 3979.53 1603.60 2672.66 4276.25
4.00 (3.826”) Dia. Int. 239.12 398.54 637.66 332.95 554.91 887.86 434.98 724.97 1160.00 643.01 1071.70 1714.71 844.47 1407.46 2251.93 1046.87 1744.79 2791.67 1241.58 2069.31 3310.89 1440.25 2400.42 3840.68 1633.50 2722.51 4356.01 1828.09 3046.82 4875.00 2020.87 3368.11 5389.00 2214.12 3690.21 5904.33 2408.51 4014.18 6422.69 2597.51 4329.18 6926.68 2791.18 4652.00 7443.17
5.00 (4.813”) Dia. Int. 378.41 630.69 1009.10 526.88 878.14 1405.03 520.00 866.58 1386.53 1017.57 1696.00 2713.52 1336.37 2227.29 3563.67 1656.68 2761.13 4417.80 1964.80 3274.66 5239.47 2279.20 3798.66 6077.85 2585.03 4308.35 6893.36 2893.00 4821.58 7714.52 3198.00 5330.00 8528.01 3503.84 5839.73 9343.57 3811.45 6352.42 10163.87 4110.54 6850.89 10961.42 4417.03 7361.73 11778.76
6.00 (5.761”) Dia. Int. 542.17 903.61 1445.77 754.86 1258.14 2013.02 986.23 1643.72 2630.00 1458.00 2429.83 3887.74 1914.66 3191.11 5105.78 2373.57 3956.00 6329.52 2815.03 4961.71 7506.73 3265.47 5442.45 8707.92 3703.62 6172.70 9876.32 4144.80 6908.01 11502.82 4581.87 7636.45 12218.33 5020.05 8366.75 13386.80 5460.77 9101.29 14562.07 5889.28 9815.47 15704.75 6328.41 10547.36 16875.77
TABLA 8-5. CAPACIDADES DE TUBERÍAS PARA VAPOR SATURADO A VELOCIDADES ESPECÍFICAS Cuando se dimensiona una tubería para transportar vapor es necesario considerar las caídas de presión, un método para determinarla es conociendo la presión de alimentación y la presión requerida en el punto de uso. Pueden usarse estas dos formulas para la caída de presión.
P11.9375 − P2 1.9375 m 1.853 = L 0.011D 4.987
ΔP =
L Vg m 2 0.08 D 5
Donde.
Donde.
P1 = Presión alta (kg/cm²) P2 = Presión baja (kg/cm²) L = Longitud del tubo (m) m = Caudal másico (kg/h) D = Diámetro interior del tubo (mm)
ΔP = Caída de presión (kg/cm²) L = Longitud del tubo (m) Vg = Vol. especifico del vapor (m³/kg) m = Caudal másico (kg/h) D = Diámetro interior del tubo (mm)
124
Capítulo V
Generador de Vapor /Agua Caliente
LÍNEA DE DISTRIBUCIÓN Y PURGA GOLPE DE ARIETE
En cualquier tubería de vapor, parte del vapor condensará a causa de las pérdidas por radiación y en cierto momento, el conducto tendrá no solo vapor, sino cierta cantidad de agua. El agua no solo resulta corrosiva para la tubería, sino que además puede causar golpe de ariete1. He aquí la necesidad de drenar las partes bajas del sistema de distribución de vapor. El golpe de ariete se forma cuando el vapor al viajar a velocidades de hasta 160 km/h comienza a producir “oleaje” al pasar sobre el condensado que se encuentra depositado en la parte baja de la tuberías. Como se muestra en la Figura 12-5, la acumulación de condensado y, la energía cinética que le imprime el vapor al agua, a través del arrastre, crean una bolsa “sólida” de agua que en algún momento obstruirá la tubería, luego al seguir habiendo presión de vapor, ésta masa de agua se moverá, convirtiéndose en un golpe de presión, que aplicado contra cualquier obstáculo producirá un ruido de golpe en la tubería. Este ruido puede ir acompañado de movimiento, causando en algunos casos el pandeo de la línea y en casos serios, el rompimiento de ésta con un efecto casi explosivo con la consecuente pérdida de vapor vivo en la rotura. Además del daño producido por este “golpeteo hidráulico”, el agua a alta velocidad puede causar erosión significante en las conexiones y tuberías con superficies metálicas. El condensado puede alcanzar velocidades de 30 km/h o más.
FIGURA 12-5. ESQUEMA ILUSTRATIVO DE LA PRODUCCIÓN DEL GOLPE DE ARIETE
El condensado que se ha dejado acumular en las tuberías va a formar olas al pasar el vapor por encima de él, hasta que eventualmente puede bloquear el flujo (punto A). El condensado en el área B produce una diferencia de presión que permite a la presión de vapor empujar el tapón de condensado a lo largo del tubo como un “cilindro golpeador”. Existe otro tipo de golpe de ariete conocido como choque térmico. Como se sabe, el vapor ocupa un volumen mucho mayor que el condensado, por lo tanto al condensarse de forma repentina libera toda la energía que lo mantenía en esa fase generando con esto ondas de choque que viajan por todo el sistema. Esta forma de golpe de ariete puede dañar el equipo y básicamente indica que el condensado no está siendo drenado adecuadamente en el sistema. Por otro lado, al condensarse el vapor se liberan gases no-condensables que no fluyen hacia afuera por gravedad, sino que se acumulan dentro de la línea de distribución y forman una capa delgada en las superficies de ésta – junto con la suciedad y el lodo. Esto puede ocurrir tanto en la línea de distribución, como en la unidad de calentamiento. En la unidad de calentamiento, esto es impedimento para una transferencia de calor adecuada. Como se ve en la Figura 13-5, el calor y la temperatura del vapor deben superar estas posibles barreras para poder hacer su trabajo.
1
Una explicación más amplia de esto se da en la Sección Tal de este libro. 125
Instalaciones
Capítulo V
FIGURA 13-5. POSIBLES REDUCTORES DE LA TRANSFERENCIA DE CALOR
La necesidad de remover aire, condensado y CO2 ocurre debido a que durante el arranque del equipo y en el agua de alimentación del generador, siempre hay aire presente. Además, el agua de alimentación puede tener disueltos ciertos carbonatos que liberan bióxido de carbono. La velocidad a que fluye el vapor empuja estos gases hacia las paredes de los intercambiadores de calor, lo que puede resultar en el bloqueo del flujo del calor. Esto empeora el problema del drenaje de condensados, dado que estos gases deben ser removidos del sistema junto con el condensado.
Para solucionar estos problemas se recomiendan los siguientes puntos. ¾ Siempre que sea posible, la tubería de distribución debe montarse con un descenso no inferior a 40 mm cada 10 m, en la dirección del flujo. Debido a la fuerza de gravedad, el agua se acumulará en los puntos bajos del sistema y en caso de que la tubería ascendiera en dirección del flujo, el condensado trataría de volver hacia abajo. Montando la tubería con un descenso en la dirección del flujo, tanto el vapor como el condensado, irán en la misma dirección y se pueden colocar puntos de purga en la línea para recoger y evacuar el agua. ¾ Se recomienda que los puntos de purga en cualquier instalación, se ubiquen cada 30 m a 50 m, así como en los puntos bajos del sistema. ¾ Durante la marcha normal, el vapor puede fluir por las tuberías de distribución a velocidades de hasta 145 km/h, arrastrando condensado con él. A ésta velocidad es poco probable que un purgador logre recoger gran parte del condensado que fluye por la tubería, de modo que para evacuar dicho condensado se recomienda montar una conexión “T” en la tubería, para que actúe como pozo de goteo. Luego, todo el condensado caerá en él y recorrerá el camino por la tubería hasta el purgador. La boca de entrada del purgador se coloca usualmente 25/30 mm por encima del fondo del pozo para evitar que la suciedad de las tuberías pase al purgador. La parte inferior del pozo normalmente es desmontable, lo que permite que se pueda quitar la tapa inferior durante una parada para eliminar la suciedad acumulada.
Es importante para el drenado eficiente de una tubería de vapor, el uso de ciertos equipos como son: • Piernas Colectoras. • Trampas de Vapor. • Filtros. Así como también una serie de consideraciones como son el Método de Calentamiento de Tubería.
MÉTODO DE CALENTAMIENTO EN TUBERÍAS
Como se sabe en toda tubería de vapor las cargas de condensado más grandes ocurren durante el período de enfriamiento. La Tabla 9-5 muestra la cantidad de vapor necesaria para el calentamiento de tubería en kg/h por cada 30 m de tubería de diferentes diámetros. La Tabla 10-5 muestra las cargas de condensado, debidas a las pérdidas por convección y radiación en tuberías principales de
126
Capítulo V
Generador de Vapor /Agua Caliente
vapor. En el drenado de una línea de distribución, se debe tomar en cuenta si el calentamiento es abierto o supervisado.
CALENTAMIENTO SUPERVISADO
Se lleva a cabo en plantas que arrancan una vez al año o más. En él no se usan trampas de vapor, sino válvulas manuales, supervisándose el desarrollo de toda la operación. Este método se utiliza, por ejemplo, en Plantas Termoeléctricas, en ingenios azucareros, etc.
CALENTAMIENTO ABIERTO
Se arranca el generador de vapor, dejando que las líneas y los equipos alcancen gradualmente su presión y temperatura de operación, sin ninguna ayuda material, sin ninguna ayuda manual y sin ninguna supervisión. El calentamiento de la tubería se realiza más frecuentemente. En algunas ocasiones se hace diario. Una vez que la temperatura de la tubería principal es la razonable para la presión de trabajo, el condensado formado es el resultado de las pérdidas por Radiación y la separación de humedad a partir de vapor húmedo. Las cargas de condensado debidas a las pérdidas por radiación y convección son considerablemente menores que las debidas al calentamiento de la tubería. (Excepto en casos excepcionales, tales como tuberías de vapor principal, subterráneas por avenidas de agua, etc). TABLA 9-5 CARGA DE CALENTAMIENTO EN kg/h DE VAPOR POR CADA 30 m DE TUBERÍA TEMPERATURA AMBIENTE 21°C* Presión del vapor kg/cm2 0
2.812
4.400
5.806
0.35
3.130
4.990
6.532
0.7
3.402
5.352
7.031
1.41
3.810
6.078
2.81
4.491
4.22
4.990
5.62
2’’
2 ½’’
3’’
4’’
12’’
14’’
16’’
18’’
48.534
63.503
54.431
71.214
58.967
56.246
45.359 55.338
42.184
30.164
24.857 26.308
Factor de corrección + 0.680
5’’
6’’
8’’
10’’
20’’
24’’
8.255
11.158
14.470
21.772
30.844
40.823
9.253
12.565
16.284
21.772
34.927
45.813
79.832
93.894
94.347
89.811
105.687 146.964
9.979
13.562
17.599
26.308
37.648
49.442
76.657
96.615
113.852 158.758
7.938
11.294
15.331
19.913
29.937
42.184
0.640
66.225
86.636
109.316 128.820 179.623
0.621
7.167
9.344
13.290
18.008
23.405
35.380
7.938
10.387
14.787
20.049
25.991
39.009
65.771
78.018
102.058 128.820 151.500 210.921
0.599
73.482
87.090
113.398 143.335 168.737 234.961
5.443
8.618
11.294
16.012
21.727
28.168
0.585
59.874
79.379
94.347
122.924 155.129 182.798 254.466
7.03
5.806
9.208
12.066
17.146
23.224
0.576
45.359
64.410
85.275
100.698 131.542 166.015 195.499 272.156
8.79
6.214
9.843
12.882
18.325
0.572
32.250
48.534
68.946
90.719
107.955 140.614 177.355 209.106 291.207
10.55
6.577
10.433
13.608
19.414
0.567
34.019
51.256
72.575
96.162
113.852 148.778 187.787 220.900 307.990
0.562
12.3
6.940
10.977
14.379
20.457
27.760
36.015
53.978
76.657
101.605 120.202 157.397 198.220 233.147 324.773
0.558
14.06
7.257
11.476
15.014
21.364
28.939
37.557
56.699
80.286
106.141 125.645 164.201 206.838 243.579 339.287
0.553
17.58
7.802
12.383
16.239
23.043
31.253
40.551
60.781
86.636
114.305 135.624 176.901 223.168 262.630 366.049
0.549
21.09
11.340
17.373
23.269
33.929
47.174
64.728
98.430
146.057 200.942 240.858 309.350 387.368 474.005 536.147
0.544
28.12
12.610
19.323
25.900
37.739
52.481
71.985 109.316 162.386 223.621 267.620 344.277 440.439 527.529 748.428
0.535
35.15
13.699
21.001
28.168
41.050
57.017
78.290 118.841 176.448 242.672 291.207 374.214 468.561 572.888 813.292
0.531
42.18
14.832
22.725
30.436
44.407
61.689
84.640 128.820 190.963 262.630 314.793 405.058 507.117 620.062 879.517
0.526
*
Cargas basadas en tuberías cédula 40 para presiones hasta de 18 kg/cm y más, sobre tuberías cédula 80 para 2 presiones por arriba de 18 kg/cm manométricas.
+
Para temperaturas exteriores de 0°C, multiplicar el valor de la carga para cada tamaño de tubería de la tabla por el factor de corrección correspondiente a la presión del vapor.
2
127
0.653
Instalaciones
Capítulo V
TABLA 10-5 CARGA DE CONDENSADO kg/h DE VAPOR POR CADA 30 m DE TUBERÍA AISLADA* TEMPERATURA AMBIENTE 21°C – EFICIENCIA DEL AISLAMIENTO 80% Presión del vapor kg/cm2 0.7 2.11 4.22 7.03 8.79 12.3 17.58 21.09 28.12 35.15 42.18
2’’
2 ½’’
3’’
4’’
5’’
6’’
8’’
10’’
12’’
14’’
16’’
18’’
2.722 3.629 4.536 5.443 5.897 7.257 8.165 9.072 10.433 12.247 13.608
3.175 4.082 5.443 6.804 7.257 8.618 9.979 11.340 12.701 14.969 16.783
4.082 4.990 6.350 8.165 9.072 10.433 12.247 13.608 15.422 17.690 19.958
4.990 6.350 8.165 9.979 10.886 11.793 15.422 16.783 19.504 22.226 24.948
5.897 7.711 10.886 12.701 13.608 14.969 19.051 20.865 24.040 27.669 30.844
7.257 9.072 12.247 14.969 16.329 17.237 22.680 24.494 28.576 33.112 37.195
9.072 11.793 14.969 18.597 20.412 24.040 28.123 30.844 36.287 41.277 46.720
10.886 14.515 18.597 23.133 25.401 29.937 34.927 38.555 44.906 51.710 58.060
13.154 17.237 22.226 27.669 29.937 35.380 41.731 45.813 53.524 61.235 68.946
14.515 19.051 24.494 30.391 33.112 39.916 45.813 50.349 58.967 67.132 75.750
16.329 21.772 28.123 34.927 38.102 44.452 52.617 57.153 67.132 77.111 86.636
17.690 23.133 30.391 37.648 40.823 48.534 57.153 62.596 73.482 83.915 94.347
20’’
24’’
Factor de corrección +
19.958 24.040 25.855 30.844 33.566 40.370 42.184 50.349 45.813 54.885 53.978 64.410 63.503 76.204 69.853 83.461 81.647 97.976 93.440 111.584 105.234 125.645
*
Considerando las pérdidas por radiación y convección del vapor saturado.
+
Para temperaturas exteriores de 0°C multiplique el valor de la carga para cada tamaño de tubería en la tabla por el factor de corrección correspondiente a la presión de vapor.
1.58 1.5 1.45 1.41 1.39 1.38 1.36 1.35 1.33 1.32 1.31
PIERNAS COLECTORAS
Sin considerar el tipo y método de calentamiento usado, deberá proporcionarse un depósito o pierna colectora para que el drenado de las trampas sea efectivo y la instalación segura. Si se sabe que una trampa de vapor puede descargar solamente condensado éste deberá descargarse dentro de las piernas colectoras y éstas deberán proporcionarse en todos los puntos inferiores de drenaje y dondequiera que el condensado pueda ser colectado, por ejemplo: • Antes de elevaciones (Bajantes). • Al final de tuberías principales. • Al fondo de tuberías verticales. • Delante de uniones en expansión. • Delante de válvulas reductoras de presión y reguladores de temperatura. • Separadores de humedad. Para líneas horizontales de vapor muy largas y en puntos inferiores de drenaje donde no existan piernas colectoras, deberán proporcionarse para un intervalo de aproximadamente 152 m, para cuando se use un método de calentamiento supervisado y cada 61 m para calentamiento abierto y sin control. Las piernas colectoras tienen tres funciones básicas. 1. Permitir que el condensado escape por gravedad, con vapor en movimiento. 2. Permitir que el condensado se acumule hasta que exista una presión positiva que permita operar. 3. Proporcionar una presión estática (cada 71 cm da 0.07 kg/cm2) que permita a las trampas descargar antes de que exista una presión positiva en el sistema.
Las piernas colectoras para el método de calentamiento supervisado no necesitan ser tan largas como para el método de calentamiento abierto, ya que el condensado es inicialmente eliminado a través de válvulas de drenaje operadas manualmente. Sin embargo, la longitud de una pierna colectora deberá ser 1 1/2 veces el diámetro de la tubería y no menor de 20 cm, y el diámetro de
128
Capítulo V
Generador de Vapor /Agua Caliente
éstas deberá ser el mismo de la tubería de vapor y nunca menor que el diámetro de la tubería más pequeña. En sistemas que utilizan el método de calentamiento abierto deberán tener una longitud suficiente para crear una carga estática que permita operar a la trampa antes de que se produzca una presión positiva en el sistema.
TRAMPA DE VAPOR
Como parte del problema de la acumulación de agua (la que provoca el golpe de ariete), es que cuando el vapor barre la superficie del agua, levanta parte de ésta, formando olas, las cuales se romperán, lanzando gotas de condensado sobre el flujo de vapor, haciéndolo húmedo y reduciendo con esto la transmisión de calor y la vida útil de las válvulas de control. Para evitar ésta situación, se recomienda el uso de una trampa de vapor, también conocida como separador, la cual evacuará tanto las gotitas de agua en las paredes de la tubería como la humedad suspendida en el vapor. La presencia y efecto del golpe de ariete puede erradicarse montando un separador en la tubería principal de vapor. Una trampa de vapor, es una válvula automática, que realiza las funciones siguientes: (1) (2) (3) (4)
Drena el condensado formado. Elimina el aire y los gases no condensables. Elimina cualquier suciedad presente en el vapor o los condensados. No permite el escape del vapor.
Muchos, por no decir la gran mayoría de los problemas en los sistemas de vapor, se originan por fallas en el sistema de drenaje. Las fallas más comunes son: (1) (2) (3)
No usar trampas de vapor. Usar una trampa de tamaño inadecuado. Usar un tipo de trampa no adecuado.
TIPOS DE TRAMPAS Trampa de Cubeta Invertida
Es una trampa mecánica que opera basada en la diferencia de densidades entre el vapor y el agua. El vapor que entra a la cubeta invertida y sumergida causa que esta flote y cierre la válvula de descarga. El condensado que entra a la trampa hace a la cubeta más pesada ocasionando que se hunda y permita abrir la válvula de descarga para dejar salir al condensado. A diferencia de otras trampas mecánicas, la de cubeta invertida también purga continuamente el aire y el bióxido de carbono, CO2, a la temperatura del vapor. La trampa de vapor empleada por los Generadores Clayton es ésta.
129
Instalaciones
Capítulo V
Trampa de Flotador
Es una trampa mecánica que opera con base a los conceptos de densidad y temperatura. La válvula de flotador opera basada en el concepto de densidad, una palanca conecta a la bola del flotador a la válvula y su asiento. El flotador se eleva una vez que el condensado llega hasta cierto nivel en la trampa, abriendo el orificio de la válvula y drenando el condensado. El sello de agua formado por el propio condensado evita la perdida del vapor vivo. Al estar la válvula de descarga debajo del agua no es posible que se pueda purgar el aire y los gases no condensables. Para evitar que la acumulación de aire y gases no condensables causen una caída significativa de temperatura, traen un purgador termostático en la parte superior de la trampa el cual se abre para descargarlos. Este purgador se activa a una temperatura unos cuantos grados debajo de la de saturación, de esta manera permite descargar volúmenes grandes de aire mediante un orificio independiente y a una temperatura mas baja.
Termostática
Está basada en la diferencia entre la temperatura del vapor y la del condensado frío, y el aire. El vapor incrementa la presión dentro del elemento termostático, cerrando la trampa. Cuando el condensado y los gases no-condensables se acumulan en el segmento de enfriamiento, la temperatura comienza a disminuir y el elemento termostático se contrae abriéndose la válvula. La cantidad de condensado acumulado a la salida de la trampa depende de las condiciones de operación, del tamaño de tubería y la presión de vapor. Estas trampas pueden ser usadas para purgar aire en un sistema de vapor. Cuando el aire se acumula, la temperatura disminuye y el purgador termostático automáticamente descarga el aire a una temperatura ligeramente menor que la temperatura del vapor en todo el rango de presiones de operación.
Trampa de Disco Controlado
Es un sistema que funciona con un retraso de tiempo y que opera con base al concepto de velocidad. Esta trampa tiene solo una parte móvil: el disco.
130
Capítulo V
Generador de Vapor /Agua Caliente
Debido a que es bastante liviana y compacta, esta trampa satisface las necesidades en muchas aplicaciones donde el espacio es limitado. Además de las ventajas de simple operación y tamaño reducido. Su funcionamiento esta basado en el cambio de presiones en la cámara donde se encuentra el disco controlado.
Estándar SHEMA
Las trampas de vapor para presiones hasta 1 kg/cm2 se pueden seleccionar basado en el tamaño de la tubería y siguiendo la clasificación SHEMA (Asociación de Fabricantes de Equipos de Calefacción con Vapor). La clasificación SHEMA es la misma para todas las marcas de trampas. TABLA 11-5. TIPOS DE TRAMPAS, VENTAJAS Y DESVENTAJAS DE CADA TIPO
Tipos de operación Capacidad de manejo de aire Respuesta Problemas por contrapresión Manejo de suciedad Capacidad de purga Acumulación de condensados Duración
TRAMPAS MECÁNICAS CUBETA FLOTADOR Continua Intermitente Excelente Buena Inmediata Inmediata No No Buena Excelente Regular Buena
Intermitente Excelente Buena No Regular Buena
Intermitente Mala Lenta Sí Mala Buena
No
No
Sí
Sí
2 a 3 años
5 a 10 años
2 a 3 años
1 año
TRAMPAS TERMOSTÁTICAS
TRAMPAS TERMODINÁMICAS
De lo anterior se puede ver que las mayores ventajas corresponden a las trampas mecánicas.
SELECCIÓN DEL TIPO Y TAMAÑO DE TRAMPAS DE VAPOR
Para realizar una selección adecuada de la trampa será necesario tener la presión correcta, la aplicación y la capacidad que debe tener esta. El tamaño necesario de una trampa de vapor para una aplicación, puede ser determinado en tres etapas. I.
Obtener información necesaria 1. Calcule o estime la carga máxima de condensado en kg/h. Si el equipo opera con diferentes presiones de vapor, debe tomarse en cuenta la carga máxima de condensado a la presión mínima de vapor. 2.
Presión a la entrada de la trampa. Ésta puede ser mucho menor que la presión en las tuberías principales de vapor, ya que se tienen de por medio reguladores de temperatura, reductores de presión, filtros, y equipo de transferencia de calor.
131
Instalaciones
Capítulo V
Considere:
3.
•
Presión del Generador.
•
Turbina o máquina con presión negativa.
•
Presión reducida en la salida de la válvula reductora.
Contrapresión, contra la cual debe operar la trampa. Ésta contrapresión también incluye la carga hidrostática de los condensados ejercida en la trampa en sentido contrario. En aplicaciones donde existan condiciones de contrapresión deberá corregirse la capacidad según la Tabla 12-5. Considere:
II.
•
Presión atmosférica.
•
Presión del recibidor controlado por una válvula de alivio.
•
Una presión negativa constante controlada por una válvula diferencial.
•
Fricción de la tubería inferior a la presión atmosférica, líneas de retorno bajo, vacío. En este caso añádase vacío a la presión de entrada para obtener la presión diferencial.
Aplicar un factor de seguridad La relación entre la capacidad de descarga máxima de la trampa de vapor y la carga de condensado esperada debe manejarse con un factor de seguridad. El factor de seguridad es influenciado por: (1) (2) (3)
Características de operación de la trampa. Exactitud de la carga de condensado estimada o calculada. Condiciones de presión a la entrada y salida de la trampa.
Si la carga de condensado y las condiciones de presión se determinan con precisión, el factor de seguridad puede ser contenido a un mínimo y evitar el sobre-dimencionamiento de trampas. La Tabla 13-5 muestra los factores de seguridad recomendados. Estos factores dependen también de: La aplicación.- En algunas aplicaciones hay trabajos de calentamiento de aire en grandes cantidades, y cargas intermitentes muy superiores al régimen medio de condensación. Una pierna colectora de diámetro mayor puede solucionar, en parte, el problema, pero puede ser necesario utilizar un alto factor de seguridad. El tipo de trampa elegido.- Las trampas termodinámicas, de flotador y termostáticas, y de expansión líquida, que corresponden inmediatamente a la presencia de condensado, permiten factores de seguridad tan bajos como 1.25 a 1. Las trampas de balde invertido y de presión equilibrada, que deben esperar a que el vapor pase a través de un pequeño orificio en un balde o que el condensado se enfríe, requieren un mayor factor de seguridad. III.
Selección del Tipo Adecuado de Trampa
La selección del tipo adecuado de trampa para una aplicación dada es muy importante, refiérase a la Tabla 14-5. IV.
Uso de las Tablas de Capacidad de Fabricantes para Elegir el Tamaño de la Trampa
Asegurarse que las tablas de capacidad estén basadas bajo condiciones reales de operación con condensado caliente y no con agua fría.
132
Capítulo V
Generador de Vapor /Agua Caliente
No sobredimensionar las trampas de vapor. Las trampas de vapor son ocasionalmente, subcapacitadas, pero más a menudo ellas son sobre-dimensionadas. En algunas plantas, la capacidad combinada de las plantas, debido al sobre-dimensionado es de 10 a 15 veces el consumo total de vapor en la planta. Dejando a un lado la inversión inútil en la compra, las trampas sobre-dimensionadas pueden ser una fuente de dificultades. 1. Algunas trampas, tales como las de cubeta invertida y termostáticas de presión equilibrada darán una menor eficiencia térmica. 2. Las trampas sobre-dimensionadas que tienen una descarga intermitente, pueden descargar simultáneamente con otras trampas regímenes de flujo extremadamente altos, produciendo contrapresiones anormales. 3. Las trampas sobre-dimensionadas con descarga intermitente pueden producir regímenes de flujo repentinos que contribuirán a golpes de ariete. TABLA 12-5
% DE REDUCCIÓN DE CAPACIDAD PRESIÓN DE ENTRADA kg/cm2 % CONTRA PRESIÓN 25 50 75
0.70 1.33 2.39
15 0.28 0.63 1.40
35 0.28 0.56 1.27
85 0.28 0.56 1.29
185 0.14 0.35 1.12
TABLA 13-5
FACTORES DE SEGURIDAD Drenado de líneas Intercambiadores de calor instantáneos Calentadores de agua a vapor Purificadores y separadores Cabezales y líneas principales de vapor Evaporadores Serpentines sumergidos Tuberías de calentamiento de vapor Secadores de cilindro Cilindros rotativos
1 a 2; 1.5 1a2 1a3 1a3 1a3 1a4 1a4 1 a 2 hasta 6 1 a 4 hasta 10 1a8
133
285 0.07 0.35 0.91
Instalaciones
Capítulo V TABLA 14-5. GUÍA PARA LA SELECCIÓN DE TRAMPAS DE VAPOR
Aplicación
Primera Alternativa
Segunda Alternativa
Serpentines de calefacción de aire Baja y mediana presión Alta presión
Flotador y termostática ----------
---------Termodinámica
Calentadores de agua (instantáneos) Calentadores de agua (Almacenamiento)
Flotador y termostática Flotador y termostática
-------------------
Intercambiadores de calor Pequeños – Alta presión Grandes – Baja y mediana presión Re-calentadores
Termodinámica Flotador y termostática Flotador y termostática
Flotador y termostática -------------------
Recipiente con camisa de vapor Alta presión Baja presión
Termodinámica Flotador y termostática
Flotador y termostática Termodinámica
Trampas para drenar líneas principales de vapor 0 – 1 kg/cm2 man 1 – 9 kg/cm2 man 9 – 42 kg/cm2 man
Flotador y termostática Termodinámica Termodinámica
---------Flotador y termostática Balde invertido
Serpentines de tubería de vapor (Calefacción de aire)
Termostática (de presión equilibrada)
Termodinámica
Radiadores de vapor
Termostática (de presión equilibrada)
Termodinámica
Separadores de vapor 0 – 1 kg/cm2 man 1 – 9 kg/cm2 man 9 – 42 kg/cm2 man
Flotador y termostática Termodinámica Termodinámica
---------Flotador y termostática Balde invertido
Líneas de flujo de vapor
Termodinámica
Expansión líquida
Serpentines para tanque de almacenamiento
Expansión líquida
Termodinámica
Serpentines de calefacción sumergidos Alta presión Baja y mediana presión
Termodinámica Flotador y termostática
Termostática (de presión equilibrada)
Calentadores unitarios
Flotador y termostática
Termodinámica
Nota: Cuando se presentan condiciones poco comunes de: presión, golpes de ariete o corrosiones graves, ellas pueden influir en la selección de la trampa de vapor, para una aplicación determinada.
134
Capítulo V
Generador de Vapor /Agua Caliente
DETERMINACIÓN DE LAS DIMENSIONES DE TRAMPAS Y PIERNAS COLECTORAS NECESARIAS PARA EL DRENADO EFICIENTE DE TUBERÍAS PRINCIPALES DE VAPOR EJEMPLO 1: Calcule las dimensiones de la trampa y la pierna colectora necesaria para drenar 305 m de tubería principal de 25 cm (10 pulgadas) a una máxima presión de operación de 18 kg/cm2 man. (En este ejemplo se considera que se trata de una instalación de grandes dimensiones, en la que se supervisa y controla manualmente el calentamiento de la tubería principal).
En este tipo de problemas es importante la determinación del tiempo seguro de calentamiento. La principal consideración es la de determinar un tiempo adecuado de calentamiento. El tiempo permitido de calentamiento de tuberías se limitará a los esfuerzos de la tubería causados por la expansión desequilibrada y erosión mínima debida a la alta velocidad del vapor condensado y a la protección de los equipos auxiliares.
Solución: a)
Cálculo de la carga de condensados debidos a las pérdidas por radiación. A partir de la Tabla 10-5. Para tubería de 25 cm (10 pulgadas) a 18 kg/cm2 man se tienen, 35 kg/h por cada 30 m de tubería. Así: 35
b)
kg 305 m 350 kg = x a lo largo de la tubería. h 30 m h
De acuerdo a la longitud de tubería que se tenga, determinar el número de trampas por usar. En grandes instalaciones y para una longitud de 305 m de tubería deberán ser usadas un mínimo de dos trampas de vapor, con un intervalo de 152 m.
c)
Determinación de la carga de condensados que manejará la trampa de vapor y selección de la misma. Si se tiene una carga total de condensados de 350 kg/h y se van a utilizar dos trampas. La carga de condensados que manejará cada trampa es: 350 kg 175 kg = 2h h
Que será la capacidad requerida para cada trampa a una presión de 18 kg/cm2. d)
Selección de la trampa, consultar al fabricante (ver sección de selección de trampas). En la selección de la trampa de vapor, se debe considerar un factor de seguridad de su capacidad (kg/h de condensado). Es decir, entre la capacidad real de cálculo y la capacidad de la trampa seleccionada. Para el caso de grandes instalaciones el Factor de Seguridad mínimo recomendable es 1.2. Suponiendo que se selecciona una trampa con una capacidad de 350 kg/h y la capacidad que se tiene calculada es de 175 kg/h, entonces el factor de seguridad que se tendrá es: 350 kg/h = 2 , que es un factor de seguridad amplio. 175 kg/h
e)
Dimensiones de la pierna colectora. Si el diámetro de la tubería es de 25 cm (10 pulgadas), entonces la longitud de la pierna colectora debe ser: 1 1/2 X 25 cm = 37.5 cm ≈ 38 cm.
135
Instalaciones
Capítulo V
EJEMPLO 2:
Cálculo de la dimensiones de la trampa y pierna colectora necesaria para drenar 23 m de tubería principal de 10 cm (4 pulgadas). Tiempo de calentamiento 15 min. En este ejemplo se está considerando una instalación pequeña en la que el calentamiento inicial de la tubería se realiza abiertamente sin control. El tiempo de calentamiento considerado es el tiempo aproximado en que un generador alcanza su temperatura de ebullición en el arranque. a)
Cálculo de la carga de vapor necesaria para calentar la tubería, de la Tabla 9-5 la carga de calentamiento para 30 m de tubería de 10 cm (4 pulgadas) a 0 kg/cm2 y 100°C es: 8.26 kg de vapor. Para 23 m de tubería la carga será: 23 m x 8.26 kg = 6.33 kg de condensado. 30 m
b)
Cálculo del promedio razonable de condensado. De acuerdo al uso de la siguiente fórmula: kg de condensado kg = tiempo de calentamie nto h
(2-5)
kg 6.33 kg ⎛ 60 min ⎞ 25.33 kg = ⎜ ⎟= h 15 min ⎝ 1 h ⎠ h
Éste será el promedio razonable de condensado kg/h que la trampa deberá manejar durante el periodo de calentamiento a 100°C (0 kg/cm2). c)
Selección de la trampa: Consúltese al fabricante (ver sección de selección de trampas). Para este tipo de instalación es recomendable un factor mínimo de seguridad de 1.5
d)
Dimensión de la Pierna Colectora. Diámetro: Tubería de 10 cm (4 pulgadas). Longitud: 71 cm (28 pulgadas) mínimo (para proporcionar 0.07 kg/cm2 man, a la entrada de la trampa).
EJEMPLO 3:
Determinación de las dimensiones de la trampa y pierna colectora para drenar una tubería de 122 m de largo de 8 cm (3 pulgadas). Presión máxima del vapor 18 kg/cm2 man. Tiempo requerido para el calentamiento de la tubería a 100°C (0 kg/cm2) 20 minutos.
Método de calentamiento abierto y sin control a)
Cálculo de la carga de vapor necesaria para el calentamiento de la tubería. De la tabla 9-5 para 30 m de tubería de 8 cm (3 pulgadas) a 0 kg/cm2 y 100°C, se tienen 5.81 kg de vapor por cada 30 m. 136
Capítulo V
Generador de Vapor /Agua Caliente 5.81 kg 122 m x = 23.6 kg de condensado. h 30 m
Para 122 m de tubería b)
Cálculo del promedio razonable de condensación =
kg de condensado ⎛ kg ⎞ ⎜ ⎟ tiempo de calentamie nto a 100°C ⎝ h ⎠
= c)
23.6 kg ⎛ 60 min ⎞ 70.9 kg ⎜ ⎟= 20 min ⎝ 1 h ⎠ h
Determinación del número de trampas a usar. Considerando que la instalación es pequeña, se debe colocar una trampa cada 61 m, es decir, en este caso se usará un mínimo de dos trampas.
d)
Cálculo de la capacidad de las trampas que se utilizarán: 70.9 kg/h kg = 3 5 .4 2 h
35.4 kg/h será la capacidad de cada trampa y es la carga de condensados que deberá manejar durante el período de calentamiento de la tubería a 100°C, (0 kg/cm2). e)
Selección de las trampas requeridas. Consultar al fabricante cumpliendo un factor de seguridad mínimo de 1.2.
f)
Dimensiones de la pierna colectora. Diámetro: 8 cm (3 pulgadas). Longitud: Mínimo 71 cm (28 pulgadas). (Para proporcionar 0.07 kg/cm2 manométrica a la entrada de la trampa).
AHORRO DE ENERGÍA EN SISTEMAS DE VAPOR
Más que la “moda” por una cultura ecológica, los altos costos de los energéticos es lo que ha llevado a la sociedad mundial industrial a desarrollar planes de ahorro de energía. Según investigadores, una de las áreas en las que hay un mayor impacto en cuanto a la pérdida de energía es justamente en los sistemas de vapor. La práctica nos muestra que al optimizar dichos sistemas no sólo se reduce el consumo energético (ayudando así a nuestra economía), sino que al mismo tiempo disminuye el impacto a la ecología. Para delimitar el tema, considere una planta de proceso típica cuya distribución energética es como se muestra en la Figura 14-5.
FIGURA 14-5
137
Instalaciones
Capítulo V
Por otro lado, la distribución del calor en los Sistemas de Generación y Distribución de Vapor se muestra en el Gráfico 1-5. Como puede apreciar, uno de los rubros en los que hay un mayor consumo de calor es en las TRAMPAS de vapor por lo que de momento abordaremos ese tema.
GRÁFICO 1-5
TRAMPAS DE VAPOR
Las trampas de vapor se colocan a lo largo de la tubería de distribución de vapor y su objetivo es el de sacar condensado, aire y CO2 del sistema tan rápido como sea posible, además de estas funciones deben tener una mínima perdida de vapor, evitar el desgaste rápido de las tuberías que conducen el vapor a fin de evitar corrosión por el CO2 que en combinación con el condensado que se ha enfriado a una temperatura menor que la del vapor, provoca ácido carbónico. A continuación se nombran algunos tipos de trampas de vapor: ¾ ¾ ¾ ¾
Trampa de Cubeta Invertida. Trampa de Flotador. Termostática. Termodinámica.
Para seleccionar una trampa de vapor hay toda una metodología de acuerdo a muchos factores, pero nuestro propósito no es hablar de las trampas de vapor en sí, sino mostrar las pérdidas de calor y por consiguiente de dinero, que puede haber si no se les da el mantenimiento adecuado. Para comprender con mayor facilidad esta situación, se tomará como ejemplo la Trampa Termodinámica.
TRAMPA TERMODINÁMICA
Este tipo de trampa tiene un funcionamiento muy sencillo. Un fluido a alta velocidad pasa por debajo del disco de la trampa y hace que éste cierre, y la condensación del fluido que queda encerrado en la cápsula del cuerpo de la trampa, hace que la presión en la cápsula sea menor que la presión de entrada y que la contrapresión del área de descarga, causando que el disco vuelva a abrir. Cuando el condensado caliente pasa de un sistema de alta presión a una presión inferior se vuelva a vaporizar; esto se conoce como revaporizado o vapor flash.
FIGURA 15-5
138
Capítulo V
Generador de Vapor /Agua Caliente
NOTA: El vapor flash no debe confundirse con el vapor vivo cuando se está analizando el estado de la trampa.
Considere la entalpía de condensado recién formado a presión y temperatura de vapor (Tabla 15-5). Por ejemplo, con una presión de 7 kg/cm2 man. (8 kg/cm2 abs), el condensado contendrá 171.3 kcal/kg a una temperatura de 169.6ºC. Si este condensado se descarga a la atmósfera, solo existirá como agua a 100ºC, con 100 kcal/kg de entalpía de agua saturada. El contenido de la entalpía excedente de 171.3 – 100 es decir 71.3 kcal/kg, revaporizará un porcentaje de agua, originando una cantidad de vapor a presión atmosférica. La cantidad de vapor flash se calcula del modo siguiente. Revaporizado producido a baja presión =
Exceso entalpía kcal/kg Entalpía Específica de Evaporación a presión inferior
Revaporizado producido a baja presión =
71.3 kcal/kg 539.1 kcal/kg
=
0.132 kg de vapor kg de condensado
De la Tabla 16-5, se obtiene que una trampa de 3/4’’ trabajando en una línea de 7 kg/cm2 de presión tiene una descarga continua de 527 kg/h de condensado hacia la atmósfera, y si además se considera que ésta llega a ciclar alrededor de 7 veces por minuto y en cada vez, permanece abierta aproximadamente 2 segundos., entonces: 0.132 kg de vapor ⎛ 527 kg de condensado ⎞
⎜ kg de condensado ⎝
⎟= ⎠
h
69.69 kg de vapor ⎛ 7 ⎞⎛ 1 min ⎞ 16.26 kg de vapor ⎜ ⎟⎜ ⎟( 2 s ) = h h ⎝ min ⎠⎝ 60 s ⎠
En términos de energía, la equivalencia es de aproximadamente: 16.26 kg de vapor ⎛ h
8436 kcal/h ⎞ = 8,766.57 kcal ⎜ ⎟ h ⎝ 15.65 kg de vapor/h ⎠
8,766.57 kcal ⎛ 4.1868 kJ ⎞ 36,703.88 kJ ⎛ 1h ⎞⎛ 1min ⎞ ⎜ ⎟= ⎜ ⎟⎜ ⎟ = 10.19 kW h h ⎝ 1 kcal ⎠ ⎝ 60min ⎠⎝ 60s ⎠
Considerando que los sistemas de vapor trabajan gran parte del año sin descanso, se supondrá una operación de 365 días al año, por un turno de 8 horas de trabajo constante. De este modo la pérdida de energía es: 10.19 kW ⎛ 8 h ⎞⎛ 365 días ⎞ 29,770.93 kW ⎜ ⎟⎜ ⎟= h año ⎝ día ⎠⎝ año ⎠
CONCLUSIONES
El cálculo mostrado corresponde a una única trampa de vapor. No debe olvidar considerar que las líneas de los sistemas de distribución de vapor contienen “n” número de trampas, piernas colectoras, válvulas, filtros, drenes y accesorios consumidores de calor, para así tener una visión más amplia de la cantidad de energía que puede ser aprovechada o desperdiciada, y qué decir del “dinero”.
139
Instalaciones
Capítulo V
PROPIEDADES DEL AGUA Y VAPOR SATURADO TABLA DE PRESIONES PRESIÓN TEMPERATURA Kg/cm
2
°C
VOLÚMEN ESPECÍFICO
ENTALPÍA
m3/kg
Kcal/kg
LÍQUIDO
VAPOR
LÍQUIDO
SATURADO
SATURADO
SATURADO
Vg
hf
hfg
hg
VAPORIZACIÓN
VAPOR SATURADO
P
T
Vf
0 0.5
0 79.6
0.00100 0.00103
206.40 3.6684
0 79.6
597.3 551.5
597.3 631.1
1.03 1.5
100.0 110.5
0.00104 0.00105
1.6750 1.2030
100.0 110.7
539.1 532.2
639.1 642.9
2 2.5
119.4 126.5
0.00106 0.00107
0.9208 0.7462
119.6 126.9
526.4 521.5
646.0 648.4
3 3.5
132.7 138.2
0.00107 0.00108
0.6229 0.5347
133.2 138.8
517.3 513.4
650.5 652.2
4 4.5
142.8 147.1
0.00108 0.00109
0.4743 0.4240
143.5 148.0
510.1 506.9
653.6 654.9
5
151.1
0.00109
0.3826
152.0
504.0
656.0
5.5 6
154.7 158.0
0.00110 0.00110
0.3500 0.3226
155.8 159.2
501.3 498.7
657.0 657.9
6.5 7
161.2 164.2
0.00110 0.00111
0.2987 0.2781
162.5 165.6
496.3 493.9
658.8 659.5
8 9
169.6 174.5
0.00111 0.00112
0.2452 0.2191
171.3 176.4
489.6 485.6
660.9 662.1
10 11
179.0 183.2
0.00113 0.00113
0.1982 0.1809
181.2 185.6
481.9 478.4
663.1 664.0
12 13
187.1 190.7
0.00114 0.00114
0.1663 0.1542
189.7 193.6
474.9 471.8
664.6 665.3
14 15
194.1 197.4
0.00115 0.00115
0.1435 0.1344
197.2 200.7
468.7 465.7
665.9 666.4
16
200.4
0.00116
0.1261
204.0
462.8
666.8
17 18
203.4 206.1
0.00116 0.00117
0.1190 0.1125
207.1 210.2
460.1 457.5
667.2 667.6
19 20
208.8 211.4
0.00117 0.00118
0.1067 0.1015
213.1 215.9
454.9 452.3
667.9 668.2
25 30
222.9 232.7
0.00120 0.00122
0.0816 0.0682
228.5 239.5
440.6 430.0
669.1 669.5
35 40
241.4 249.2
0.00123 0.00125
0.0582 0.0508
249.4 258.3
420.0 410.7
669.4 668.9
www.claytonmexico.com.mx
[email protected] Tel. 55 86 51 00
Ext. 113
TABLA 15-5
TABLA DE CAPACIDADES DE TRAMPA Kg/h de condensado en descarga continua a la atmósfera. P (entrada) 2 kg/cm psig
3/8” a 1” TD-52 TDS-52
1
1/2"
3/4" TD-52H -
1” TDS-52H
0.70
10
86
157
214
330
1.4
20
91
186
254
393
2.1
30
98
211
291
445
3.6 5.3
50 75
111 138
261 318
368 454
545 668
7.0
100
168
368
527
795
10.5
150
227
454
659
1000
14.1
200
277
518
759
1182
21.1
300
360
641
955
1477
TABLA 16-5 1
La medida de 3/8” es únicamente para la trampa TD-52.
140
Capítulo V
Generador de Vapor /Agua Caliente
FILTROS
Cuando se instala una tubería nueva, no es raro que queden fragmentos de arena de fundición, del embalaje del ensamblado, virutas, varillas de soldar, e incluso tornillos o tuercas que hayan quedado dentro. En el caso de tuberías viejas, habrá óxido y en zonas de aguas duras, depósitos de carbonatos. Por lo tanto, es sensato montar un simple filtro en la tubería, delante de cada purgador, dispositivo de medición, válvula reductora y válvula de control.
FIGURA 16-5
141
Instalaciones
N
Capítulo V OTA: Los filtros, sin embargo, pueden ser una fuente de problemas de golpe de ariete. Para evitar esto, cuando forman parte de una línea de vapor, los filtros deben montarse con la cesta en posición horizontal.
VÁLVULA DE SEGURIDAD CÓMO ACTÚA LA VÁLVULA DE SEGURIDAD
Cuando la válvula esta cerrada durante un proceso de operación normal la presión del recipiente actúa sobre el área del disco; ésta es contrarrestada por la fuerza del resorte, la cual mantiene cerrada la válvula. Cuando por alguna circunstancia la presión del recipiente se incrementa hasta llegar a una presión de 1 a 3% por debajo de la presión de ajuste, el fluido comienza a escapar hacia un orificio anular debido a que abre un diminuto pasaje entre el disco y el asiento de la válvula, este paso de flujo se conoce como simmer (siseo). La suma de fuerzas provoca la súbita apertura del disco originando un disparo audible. Esta serie de acontecimientos suceden en intervalos de fracciones de segundos y se puede resumir de la siguiente forma: a) Presión de ajuste de 8.8 kg/cm². b) Presión de operación 7.0 kg/cm² c) El recipiente incrementa su presión a 8.4 kg/cm² y se escucha en la válvula una fuga o siseo. Esto es: ⎛ presion de ajuste − presion de incremento ⎞ ⎟⎟ x100 siseo = ⎜⎜ (3-5) presión de operación ⎝ ⎠ ⎛ 8.8 − 8.4 ⎞ siseo = ⎜ ⎟ x 100 = 6% ⎝ 7.0 ⎠
Cuando la presión en el recipiente llega a 8.8 kg/cm² se oye un disparo seguido de un aumento de presión hasta que el manómetro del recipiente marca 9.7 kg/cm² (10% de acumulación). Cuando la válvula cierra la aguja del manómetro marca 8.4 kg/cm² ⎛ presión de ajuste − presión de cierre ⎞ ⎟⎟ x 100 Presión diferencia l = ⎜⎜ presión de operación ⎝ ⎠
(4-5)
⎛ 8.8 − 8.4 ⎞ Presión diferencial = ⎜ ⎟ x 100 = 5% ⎝ 7.0 ⎠
MÉTODO PARA VERIFICAR LA MÁXIMA SALIDA DE VAPOR EN kg/h DE UNA VÁLVULA DE SEGURIDAD 1. Tener en cuenta los BHP, estos deben ser conocidos por lo tanto. BHP x
15.65 kg BHP/h
Por ejemplo: 100 BHP x
15.65 kg 1565 kg = BHP/h h
142
Capítulo V
Generador de Vapor /Agua Caliente
La formula a usar es la siguiente dependiendo del poder calorífico de cada combustible. W=
C x PC x 0.75 611 kcal/kg
(5-5)
Donde: C = Carga de combustible en kg/h PC = Poder calorífico del combustible en kcal/kg
Aplicando la formula para el modelo descrito arriba se tiene que en diesel del No. 2 consume 111.3 L/h, el peso para este combustible es 0.86 kg/L y tiene un poder calorífico de 10680 kcal/kg. 111.3 L 0.86 kg 95.7 kg = x h L h W =
C x PC x 0.75 95.7kg/h x 10680 kcal/kg x 0.75 1254.8 kg = = 611 611 kcal/kg h
Gas Natural. PCS 9789 kcal/m3. W=
C x PC x 0.75 107.9 m 3 /h x 9789 kcal/m 3 x 0.75 1296 kg = = 611 611 kcal/kg h
Gas L.P. PCS 11925 kcal/kg. W =
C x PC x 0.75 90.3 kg/h x 11925 kcal/kg x 0.75 1321.8 kg = = 611 611 kcal/kg h
Como puede apreciar, la máxima descarga de vapor será de 1565 kg/h Ahora si desea saber el orificio recomendado para descargar este vapor, se usa la siguiente formula de Napier para el flujo de vapor con un 10% de sobre-presión. AO =
Ws 51.5 x K x P
(6-5)
Donde: AO = área del orificio en cm². Ws = Flujo del vapor en kg/h. -1 K = coeficiente de descarga efectivo K = 0.878 h . P = Presión de relevo en kg/cm² absolutas. P = 1.10 x presión de ajuste + presión atmosférica.
A=
1565 kg/h Ws = = 3.23 cm² -1 51.5 x K x P 51.5 x 0.878 h x [(1.10 x 8.8 kg/cm 2 ) + 1.03 kg/cm 2 ]
OTA: Es responsabilidad del instalador asegurarse que toda la tubería y montaje estén adecuadamente evaluados (tipo de material, espesor, presión, temperatura) para la aplicación del sistema propuesto. También es responsabilidad del instalador el diseño de todos los sistemas de tubería para asegurar que los requerimientos de flujo y presión especificados por Clayton sean satisfechos (Vea Tabla 5-5).
N
143
Instalaciones
Capítulo V
VÁLVULA DE PRUEBA ATMOSFÉRICA
Una característica importante, a menudo pasada por alto, de un sistema de tubería de vapor instalada adecuadamente es la habilidad de desarrollar la prueba a plena carga del (los) Generador(es) de Vapor cuando el vapor no puede ser introducido al cabezal de vapor. Esto es más comúnmente encontrado durante el arranque inicial cuando se desea lograr la afinación preliminar del(los) Generador(es) de Vapor antes de que el cabezal de vapor y/o el equipo del usuario final esté listo para aceptar vapor vivo. Esta condición también ocurrirá cuando sea necesario probar o ajustar el(los) Generador(es) de Vapor durante los periodos de reparación del cabezal de vapor y/o equipo. Para facilitar la prueba a plena carga del(los) Generador(es) de Vapor, en el cabezal de vapor debe ser instalada una Válvula Atmosférica de Prueba del tipo globo, de fácil acceso y/o operada en serie (inmediatamente después de un Regulador de Contrapresión, si está equipado, y antes de la última válvula aislada del cabezal de vapor. La Válvula Atmosférica de Prueba debe ser capaz de pasar 100% de la capacidad del Generador.
LÍNEA DE RETORNO DE CONDENSADO
Cuando se descarga condensado caliente en una línea de retorno, cierta parte "flashea" y se convierte en vapor. Usualmente, el volumen de vapor es mucho mayor que el volumen de agua, por lo que para evitar presiones excesivas y deterioro en las líneas de retorno, las dimensiones de la línea deben ser tal que se maneje el volumen de mezcla a una velocidad razonable; usualmente 91.5 km/h. El cálculo de líneas de retorno de condensados es de gran importancia para el buen funcionamiento de cualquier Instalación. La Figura 17-5 es de gran uso para estos casos, ya que está diseñada para cumplir dos propósitos. a) b)
Puede ser utilizada para calcular la velocidad de un sistema existente. Puede ser utilizada para dimensionar una línea de retorno.
CÁLCULO DE LA LÍNEA EXISTENTE
Datos necesarios: • Presión del vapor. • Tamaño de la línea. • Presión en la línea de retorno. • Cargas de condensados.
Determinación de la velocidad en la línea de retorno de condensados, con la ayuda de la Figura 175. a).
b).
c). d).
Entre al diagrama con el dato de la presión del vapor y siga horizontalmente hasta la línea que representa el tamaño de la tubería. Entonces muévase verticalmente hacia abajo hasta encontrar el dato de la velocidad en m/min por cada 45 kg/h de condensado. Obtención del factor de escala: Entre al diagrama, con la presión del vapor, siga horizontalmente hasta la curva que representa la presión de descarga. Una vez encontrado este punto muévase verticalmente hacia arriba hasta encontrar el valor del factor de escala. El valor de velocidad obtenido en el inciso (a) multiplíquelo por el factor de escala para obtener un segundo valor de velocidad. Finalmente para obtener la velocidad, multiplique este último valor por la carga de condensados en kg/h, dividida entre 45, es decir:
144
Capítulo V
Generador de Vapor /Agua Caliente
Velocidad =
velocidad calculada (m/min) Carga de Condensado (kg/h) x 45 kg/h 45
(7-5)
Obteniendo así la velocidad.
EJEMPLO 1: Se tiene un sistema de vapor funcionando bajo las siguientes condiciones: Presión del vapor igual a 7 kg/cm2 manométricos; presión en la línea de retorno 0.7 kg/cm2 manométricos. Con una carga de condensados de 1814 kg/h en una línea de 5 cm (2 pulgadas).
Se determinará cuál es la velocidad en esa línea de retorno de condensados. Solución a. Con los datos de presión del vapor y tamaño de la línea, y de acuerdo a la Figura 17-5, se encuentra un valor de la velocidad de 77.7 m/min por cada 45 kg/h de condensado. b.
c. d.
Si la línea de retorno tiene una presión de 0.7 kg/cm2 man. y la línea de 5 cm (2 pulgadas), entonces vea que para este caso el factor de escala es igual a 0.485. (Tomar la línea de 45 kg/cm2 manométricos hasta que cruce con la de 0.7 kg/cm2 manométricos, para así obtener el factor de escala). 45 kg 77.7 m 37.7 m x 0.485 = , por cada de condensado min min h
Finalmente 37.7 m/min (por cada 45 kg/h) x 1814 kg/h 1519.4 m = 45 min
DIMENSIONADO DE LÍNEA DE RETORNO DE CONDENSADO
Datos necesarios: • • • • • a).
Presión del vapor. Carga de condensados. Presión en la línea de retorno. Velocidad permisible en la línea de retorno. Determinación del diámetro apropiado para la línea de retorno. Velocidad permisible (m/min) x 100 velocidad (m/min) = carga de condensado s (kg/h) por cada 45 kg/h
b).
Con el dato de la presión del vapor y la presión de descarga, a partir de la Figura 17-5 obtener el factor de escala.
c).
Va Valor final de la velocidad (m/min) = Factor de escala por cada 45 kg/h
d).
Con este último dato entre al diagrama y encuentre el punto de intersección que forma con el dato de la presión del vapor.
Este punto deberá caer entre las curvas que dan la dimensión de la tubería, tómese siempre el valor inmediato superior hasta tuberías de 5 cm.
145
Instalaciones
Capítulo V
Si el tamaño de la línea de retorno es mayor de 8 cm (3 pulgadas), el procedimiento a seguir es: Datos necesarios:
• • • •
Presión del vapor. Carga de condensados. Presión en la línea de retorno. Velocidad permisible en la línea de retorno.
a).
Velocidad permisible (m/min) x 100 Va (m/min) = carga de condensado s (kg/h) por cada 45 kg/h
b).
Con los datos de la presión del vapor y la presión en la línea de retorno, encontrar el factor de escala.
c).
Va Valor de la velocidad (m/min) = Factor de escala por cada 45 kg/h
d).
Con el valor obtenido y con el de la presión del vapor encuentre el punto de intersección. Quedando éste alejado de las que dan los valores de la dimensión de la tubería. Después de esto procédase de la siguiente manera.
e).
Entre al diagrama con el valor de la presión del vapor, muévase horizontalmente hasta la curva que representa el diámetro de 8 cm. Obteniendo un nuevo valor de velocidad.
f).
Divídase el valor obtenido en el inciso c), entre el valor obtenido en el inciso e).
g).
Refiérase el valor de factores de tubería para diámetros mayores y seleccione una tubería de diámetro tal, que el factor sea igual o menor al valor obtenido en el inciso f).
En el caso de que la presión de la línea de retorno sea mayor que las presiones mostradas en las curvas de la Figura 17-5 el “Factor de Escala" puede ser calculado aplicando la fórmula: 36.2 ν (hp − hr) F.E. = (8-5) L (hp − 180) Donde: υ = volumen específico a la presión de la línea de retorno. hp = Entalpía del líquido a la presión del vapor. hr = Entalpía del líquido a la presión de la línea de retorno. L = Calor latente del vapor a la presión de la línea de retorno.
EJEMPLO 2: Si se tiene vapor a una presión de 14 kg/cm2 man, con una carga de condensados de 1361 kg/h y si la presión en la línea de retorno debe ser de 1.05 kg/cm2 man, con una velocidad permisible de 1524 m/min.
Determinar el diámetro apropiado para la línea de retorno. a.
1524 m/min x 45 kg/h 50.4 m = por cada 1361 kg/h min
b.
Con la Figura 17-5 y con los datos de presión del vapor y presión en la línea de retorno, el factor de escala es igual a 0.415.
c.
50.4 121 m = 0.415 min
por cada
45 kg h
45 kg h
146
Capítulo V d.
Generador de Vapor /Agua Caliente
Entre al diagrama con el valor de 121 m/min por cada 45 kg/h, con los 14 kg/cm2 de presión y encuentre el punto intersección.
Para éste caso se ve que dicho punto cae entre los tamaños 4 cm (1 1/2 pulg) y 5 cm (2 pulg). Finalmente se toma el valor de 5 cm, como el más adecuado para la línea de retorno.
EJEMPLO 3: Línea de vapor a una presión de 10.6 kg/cm2 man con una carga de condensados de 5443 kg/h. Si la presión en la línea de retorno debe ser de 0.35 kg/cm2 man con una velocidad permisible de 1524 m/min.
Determinar el diámetro apropiado para la línea de retorno. Solución: 45 kg h
a.
1524 x 45 13 m = 5443 min
b.
De acuerdo a la Figura 17-5 y con los datos de presión del vapor y presión en la línea de retorno, el factor de escala es igual a 0.69
c.
13 18 m = 0.69 min
d.
Con el valor de 10.6 kg/cm2 man y 18 m/min por cada 45 kg/h se encuentra el punto de intersección en la Figura 17-5.
por cada
por cada
45 kg h
Para este ejemplo se ve que el punto de intersección queda completamente alejado de las curvas que determinan el tamaño de la línea. O sea que se determina una línea de retorno mayor de 8 cm (3 pulgadas). Entonces: e.
Entre al diagrama con el valor de 10.6 kg/cm2 man, muévase horizontalmente hasta la curva que representa el diámetro de 8 cm (3 pulgadas). Encontrando un nuevo valor de la velocidad de 44 m/min a cada 45 kg/h.
f.
Divida el valor de la velocidad obtenido en el inciso c) y el obtenido en el inciso e). 18 = 0.41 44
147
Instalaciones
Capítulo V
FIGURA 17-5
DILATACIÓN Y SOPORTE DE TUBERÍAS
Las tuberías siempre se instalan a temperatura ambiente, y luego, al transportar fluidos calientes, como agua o vapor, se expanden. Ésta dilatación causa tensión en las juntas de la tubería, las cuales pueden llegar a romperse. La dilatación puede calcularse mediante la siguiente ecuación, o encontrarse en gráficos adecuados. 148
Capítulo V
Generador de Vapor /Agua Caliente
Dilatación = L x ΔT x α (mm)
(9-5)
Donde: L = Longitud de tubería entre anclajes (m). ΔT = Diferencia de temperatura °C. α = Coeficiente de dilatación (mm/m°C) x 103
TABLA 17-5. COEFICIENTES DE DILATACIÓN (α) Rango de Temperatura °C Material