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ESCUELA DE INGENIERÍA ELECTROMECÁNICA Carrera: Ingeniería en Mantenimiento Industrial Sistemas de Vapor

“REDISEÑO DEL SISTEMA DE VAPOR DEL HOTEL WYNDHAM SAN JOSE-HERRADURA” PROFESOR: ING. OSCAR BASTOS MOLINA

ESTUDIANTES: ALEJANDRO LAMAR NÚÑEZ 200813753 OSCAR SABORÍO BARQUERO 200864262 DIXON VARGAS CONTRERAS 200837572

GRUPO: 01 II Semestre 2013

REDISEÑO DEL SISTEMA DE VAPOR DEL HOTEL WYNDHAM SAN JOSE-HERRADURA

2013

Índice 1. Introducción......................................................................................................... 2 2. Objetivos ............................................................................................................. 3 2.1.

Objetivo general ...................................................................................... 3

2.2.

Objetivos específicos .............................................................................. 3

3. Reseña de la empresa ........................................................................................ 4 4. Situación del sistema de vapor instalado ............................................................ 5 5. Equipo instalado.................................................................................................. 7 6. Selección de la caldera y bomba de alimentación de agua .............................. 10 6.1.

Selección de la caldera ......................................................................... 10

6.2.

Selección de la bomba de alimentación agua de la caldera ................. 12

6.3.

Selección del suavizador ...................................................................... 13

7. Diseño del sistema de combustible ................................................................... 14 7.1.

Propiedades del bunker ........................................................................ 14

7.2.

Dimensionamiento del tanque de uso diario ......................................... 14

7.3.

Tanque principal de combustible .......................................................... 15

8. Selección del diámetro de la chimenea ............................................................. 15 9. Diseño del sistema de distribución de vapor ..................................................... 16 9.1. 9.1.1.

Tuberías de vapor ................................................................................. 16 Resumen de diámetros ...................................................................... 18

9.2.

Determinación del espesor del aislante ................................................ 19

9.3.

Selección de válvulas reguladoras de presión ...................................... 20

9.4.

Selección de las válvulas de seguridad para los equipos ..................... 21

9.5.

Soportes y juntas de expansión ............................................................ 23

9.5.1.

Juntas de expansión .......................................................................... 23

9.5.2.

Soportes ............................................................................................ 24

10. Diseño del sistema de retorno de condensados ............................................. 25 10.1.

Dimensionamiento del tanque de condensados ................................... 25

10.2.

Diseño de las tuberías de retorno de condensado ................................ 26

10.3.

Selección de los soportes para la tubería de condensados .................. 27

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10.4.

Selección de trampas de vapor ............................................................. 28

10.5.

Filtros .................................................................................................... 30

11. Conclusiones .................................................................................................. 31 12. Recomendaciones .......................................................................................... 32 13. Bibliografía ...................................................................................................... 33 14. Anexos ............................................................................................................ 35 14.1.

Anexo 1. Catálogo de los equipos instalados ....................................... 35

14.2.

Anexo 2. Factores de evaporación ....................................................... 37

14.3.

Anexo 3. Características de la caldera seleccionada ............................ 37

14.4.

Anexo 4. Curvas características de la bomba de alimentación

seleccionada ..................................................................................................... 38 14.5.

Anexo 5. Características de la chimenea recomendada. ...................... 39

14.6.

Anexo 6. Tabla referencia del aislamiento de fibra de vidrio. ................ 39

14.7.

Anexo 7. Selección de suavizador de agua .......................................... 40

14.8.

Anexo 8. Datos técnicos de la válvula reguladora de presión GP-1000

marca Armstrong............................................................................................... 41 14.9.

Anexo 9. Datos técnicos y selección de las válvulas de seguridad. ...... 42

14.10. Anexo 10. Dimensionamiento de las juntas de expansión .................... 46 14.11. Anexo 11. Dimensionamiento de los soportes de las tuberías. ............. 47 14.12. Anexo 12. Selección de los soportes de las tuberías de condensado. . 48 14.13. Anexo 13. Gráfica para selección de trampas de balde invertido. ........ 49 14.14. Anexo 14. Selección de filtros ............................................................... 50 15. Apéndices ....................................................................................................... 51 15.1.

Apéndice 1. Cálculos de los consumos de los equipos. ....................... 51

15.2.

Apéndice 2. Factor de evaporación ...................................................... 52

15.3.

Apéndice 3. Selección de la caldera ..................................................... 52

15.4.

Apéndice 4. Cálculos para seleccionar la bomba de alimentación de

agua de la caldera............................................................................................. 53 15.5.

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Apéndice 5 Cálculos para seleccionar el suavizador de agua. ............. 54

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15.6.

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Apéndice 6. Cálculos para el dimensionamiento del tanque de consumo

diario de bunker. ............................................................................................... 55 15.7.

Apéndice 7. Estimaciones para el dimensionamiento del tanque principal

de bunker .......................................................................................................... 55 15.8.

Apéndice 8. Diámetros obtenidos para cada tramo con la calculadora

Spirax Sarco...................................................................................................... 56 15.8.1.

Tramo A-B ......................................................................................... 56

15.8.2.

Tramo B-I ........................................................................................... 57

15.8.3.

Tramo B-C ......................................................................................... 57

15.9.

Apéndice 9. ........................................................................................... 58

15.10. Apéndice 10. Dimensionamiento del tanque de condensado ............... 58 15.11. Apéndice 11. Dimensionamiento de las tuberías de retorno de condensado....................................................................................................... 59 15.11.1. Salida del planchador pequeño ......................................................... 59 15.11.2. Salida plancha de rodillos .................................................................. 59 15.11.3. Salidas de las secadoras ................................................................... 60 15.11.4. Tramo D-K: ........................................................................................ 60 15.11.5. Tramo J-C .......................................................................................... 61 15.11.6. Tramo B-C ......................................................................................... 61 15.11.7. Tramo C-A ......................................................................................... 62

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Índice de Figuras Figura 1. Estudiantes en la visita al hotel Wyndham San José-Herradura. ............. 1 Figura 2. Logo de la cadena de hoteles Wyndham ................................................. 4 Figura 3. Ubicación del Hotel Wyndham San José-Herradura ................................ 4 Figura 4. Caldera instalada marca Superior Boiler de 80 BHP a 80 psi. ................. 6 Figura 5. Diagrama unifilar de la distribución de los equipos.. ................................ 8 Figura 6. Válvula reguladora de presión GP-1000 ................................................ 20 Figura 7. Detalle de la junta de expansión ............................................................ 24 Figura 8. Diagrama unifilar de las tuberías de retorno de condensado. ................ 26 Figura 9. Características de las secadoras Cisell.................................................. 35 Figura 10. Consumo de la plancha de rodillos Chicago ........................................ 36 Figura 11. Factores de evaporación para diferentes presiones y temperaturas del agua de alimentación ............................................................................................ 37 Figura 12. Características de la caldera Cleaver Brooks modelo CB de 70 BHP. Tomado de: Catálogo de la marca Cleaver Brooks. .............................................. 38 Figura 13. Curvas características de la bomba selecciona. Tomado de: Bell & Gossett. ................................................................................................................. 38 Figura 14. Características de la chimenea Cleaver Brooks modelo CB ................ 39 Figura 15. Espesores recomendados de aislamiento para tuberías calientes para una Temperatura ambiental de 25° C. .................................................................. 39 Figura 16. Tabla de selección de suavizador ........................................................ 40 Figura 17. Selección de la válvula reguladora de presión GP-1000 ...................... 41 Figura 18. Dimensiones de la válvula reductora de presión seleccionada ............ 42 Figura 19. Datos técnicos para la válvula de seguridad SV604. ........................... 42 Figura 20. Selección de la válvula de seguridad SV60 de Spirax Sarco ............... 43 Figura 21. Guía de selección de válvulas de seguridad SV60. ............................. 43 Figura 22. Dimensiones de la válvula de seguridad selecciona para la caldera.... 44 Figura 23. Instalación correcta de la válvula de seguridad .................................... 44 Figura 24. Selección de la válvula de seguridad para los equipos ........................ 45 Figura 25. Coeficiente de expansión α (mm/m °C x10-3) ....................................... 46 iv

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Figura 26. Selección de las juntas de expansión .................................................. 46 Figura 27. Dimensiones para los soportes ............................................................ 47 Figura 28. Dimensiones para los soportes para las tuberías de condensado ....... 48 Figura 29. Gráfica capacidades de las trampas de balde invertido ....................... 49 Figura 30. Selección de filtros de la marca Spirax Sarco ...................................... 50 Figura 31. Diámetro obtenido para el tramo A-B mediante el uso de la calculadora para tuberías nuevas de Spirax Sarco. ................................................................ 56 Figura 32. Diámetro obtenido para el tramo B-I mediante el uso de la calculadora para tuberías nuevas de Spirax Sarco. ................................................................ 57 Figura 33. Diámetro obtenido para el tramo B-C mediante el uso de la calculadora para tuberías nuevas de Spirax Sarco. ................................................................ 57 Figura 34. Diámetro obtenido para la salida del planchador pequeño mediante el uso de la calculadora de Spirax Sarco. ................................................................. 59 Figura 35. Diámetro obtenido para la salida del planchador de rodillo mediante el uso de la calculadora de Spirax Sarco .................................................................. 59 Figura 36. Diámetro obtenido para la salida de las secadoras mediante el uso de la calculadora de Spirax Sarco.................................................................................. 60 Figura 37. Diámetro obtenido para el tramo D-K mediante el uso de la calculadora de Spirax Sarco ..................................................................................................... 60 Figura 38. Diámetro obtenido para el tramo J-C mediante el uso de la calculadora de Spirax Sarco ..................................................................................................... 61 Figura 39. Diámetro obtenido para el tramo B-C mediante el uso de la calculadora de Spirax Sarco ..................................................................................................... 61 Figura 40 Diámetro obtenido para el tramo C-A mediante el uso de la calculadora de Spirax Sarco ..................................................................................................... 62

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Índice de Ecuaciones Ecuación 1. Fórmula para el cálculo de la longitud equivalente .............................. 9 Ecuación 2. Cálculo de las pérdidas por radiación ................................................ 17 Ecuación 3. Fórmula para calcular la expansión térmica de la tubería ................. 23 Ecuación 4. Estimación del consumo de un calentador de agua con vapor .......... 51 Ecuación 5. Fórmula para estimar el consumo de un calentador de combustible con vapor............................................................................................................... 51 Ecuación 6. Fórmula para determinar la evaporación real de la caldera. .............. 52 Ecuación 7. Cálculo de los caballos caldera necesarios ....................................... 52 Ecuación 8. Fórmula de Hazen-Williams para la estimación de pérdidas. ............ 53 Ecuación 9. Fórmula para el cálculo del volumen de combustible necesario para la caldera Cleaver Brooks Modelo CB de 70 BHP. ................................................... 55 Ecuación 10. Fórmula para obtener Cv de la válvula reguladora de presión ........ 58 Ecuación 11. Fórmula para obtener Cv de la válvula reguladora de presión. ....... 58 Ecuación 12. Fórmula para calcular la capacidad del tanque de condensado ...... 58

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Índice de Tablas Tabla 1. Consumo de vapor por equipo .................................................................. 7 Tabla 2. Simbología de los equipos ........................................................................ 8 Tabla 3. Longitudes de la distribución de los equipos. ............................................ 9 Tabla 4. Longitud equivalente para las posibles rutas críticas ................................ 9 Tabla 5. Datos base para el dimensionamiento de la caldera ............................... 11 Tabla 6. Características de la caldera seleccionada ............................................. 11 Tabla 7. Resumen de datos para la selección de suavizador ............................... 13 Tabla 8. Dimensionamiento del tanque de uso diario ............................................ 14 Tabla 9. Dimensionamiento del tanque principal de bunker. ................................. 15 Tabla 10. Longitudes equivalentes para los distintos tramos de la distribución de vapor ..................................................................................................................... 17 Tabla 11. Diámetros obtenidos mediante la calculadora de Spirax Sarco. ........... 18 Tabla 12. Espesor de aislamiento seleccionado según los distintos tramos y el diámetro de tubería. .............................................................................................. 19 Tabla 13. Datos para la selección de las válvulas reductoras de presión. ............ 20 Tabla 14. Válvulas para reducción de presión por equipo y características de dimensionamiento. ................................................................................................ 20 Tabla 15. Selección de las válvulas de seguridad para la caldera utilizada .......... 22 Tabla 16. Selección de las válvulas de seguridad para los equipos...................... 22 Tabla 17. Expansiones térmicas obtenidas para los distintos diámetros y tramos de tubería. .................................................................................................................. 23 Tabla 18. Dimensiones de la juntas de expansión seleccionadas......................... 24 Tabla 19. Selección de soportes de tuberías de vapor. ........................................ 25 vii

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Tabla 20. Dimensiones del tanque de condensado............................................... 25 Tabla 21. Simbología del diagrama unifilar de la tuberías de retorno de condensado. .......................................................................................................... 27 Tabla 22. Diámetros de tubería obtenida para cada tramo ................................... 27 Tabla 23. Soportes obtenidos para las tuberías de condensados. ........................ 27 Tabla 24. Selección de trampas de vapor en las salidas de los equipos .............. 28 Tabla 25. Selección de trampas de vapor tuberias de alimentación ..................... 29 Tabla 26. Selección de filtros para las tuberías. .................................................... 30 Tabla 27. Distancia recomendadas entre soportes ............................................... 47 Tabla 28. Interpolación del factor de evaporación ................................................. 52

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Figura 1. Estudiantes en la visita al hotel Wyndham San José-Herradura.

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1. Introducción Con el fin de ampliar los conocimientos adquiridos en el curso de sistemas de vapor del Instituto Tecnológico de Costa Rica y aplicarlos a un caso real, se realizó un rediseño del sistema de vapor en el área de Hoteles, específicamente se visitó el Hotel Wyndham San José-Herradura, ubicado en el cruce de San Antonio de Belén sobre la autopista General Cañas, Heredia. En el hotel, se debe proveer vapor a dos servicios: agua caliente para todo el edificio, utilizando un tanque de calentamiento de agua por intercambio de los chillers; a la lavandería, donde se alimentan 3 secadoras, un planchador

de

cilindros y un planchador manual. En el sector de casa de máquinas se utiliza el vapor para calentar el bunker mediante un intercambiador de carcasa y tubos, y otro intercambiador en el tanque principal de bunker. Después de realizar las visitas pertinentes y medir las dimensiones del cuarto de calderas y las distancias hasta los equipos, se realizó una propuesta de diseño para el sistema de distribución de vapor y retorno de condesado, así como dimensionar la caldera que cumpla con las características del sistema, esto siguiendo las pautas y recomendaciones del reglamento de calderas, utilizando el calculador de diámetros de Spirax Sarco, y aplicando algunas metodologías vistas en clase. El contacto en la empresa es el señor Eduardo Castro, jefe de mantenimiento del hotel,

su

número

de

teléfono

[email protected].

2

es

2209-9800

y

el

correo

es

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2. Objetivos 2.1.

Objetivo general

 Rediseñar el sistema de vapor del Hotel Wyndham San José-Herradura para que cumpla con los requisitos del reglamento de calderas de Costa Rica y que abastezca correctamente los equipos que consumen vapor.

2.2.

Objetivos específicos

 Determinar los equipos que requieren suministro de vapor con el fin de una estimación del consumo de vapor.  Medir las dimensiones del cuarto de calderas y las distancias a los equipos.  Seleccionar la caldera adecuada que cumpla con los requerimientos y compense la caída de presión.  Dimensionar los diámetros de las tuberías de suministro de vapor y retorno de condensado utilizando el calculador de Spirax Sarco y otras metodologías.  Escoger los accesorios del sistema de vapor, como trampas, válvulas reguladoras de presión, filtros, entre otros.  Diseñar el sistema de alimentación y almacenamiento de combustible.  Elegir el sistema suavizador del agua de la caldera.  Realizar los planos del cuarto de calderas y unifilares de las tuberías de suministro de vapor.

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3. Reseña de la empresa Wyndham Hotel Group es la compañía mundial de hoteles más grande y diversa con cerca de 7.410 hoteles en todo el Figura 2. Logo de la cadena de mundo. Con marcas icónicas y opciones de hoteles

Wyndham.

Tomada

de:

hoteles en todas las categorías de lujo a la http://www.wyndham.com/ economía, que ofrece no sólo la mayoría de opciones de alojamiento en todo el mundo, sino también el servicio al cliente excepcional y un gran valor. El hotel Wyndham San José-Herradura está ubicado en el cruce de San Antonio de Belén sobre la autopista General Cañas, Heredia. Este hotel cuenta con una gran variedad de servicios, un entorno idílico y un servicio de clase mundial. Dentro de los servicios se encuentran: tres piscinas al aire libre, un gimnasio totalmente equipado, jacuzzis, servicio de masajes en el spa de servicio completo o un descanso en el sauna, Casino, tres restaurantes y un bar elegante que ofrece una variedad de platos, los huéspedes pueden disfrutar de una gran cantidad de bares y restaurantes, salón de belleza en el hotel, tienda, servicios de guardería de regalo. El hotel cuenta con 234 habitaciones con excelentes comodidades.

Figura 3. Ubicación del Hotel Wyndham San José-Herradura (Indicado como B). Tomada de: Google Maps 4

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4. Situación del sistema de vapor instalado El hotel cuenta con una caldera de 100 BHP, con un flujo de vapor de 3450 lb/h y una presión de trabajo de 80 psi, marca Superior que utiliza como combustible el Bunker. Esta caldera sustituyo a otra caldera a Diesel marca York Shipley, que dejaron como respaldo para cuando se realiza el mantenimiento de la caldera Superior, para efectos de este proyecto se utilizará la misma caldera de respaldo. El vapor producido en esta caldera es enviado a un manifold dentro del cuarto de máquinas, los equipos que utilizan el vapor para su consumo son: un tanque calentador de agua que se utiliza las 24 horas diarias; los equipos de la lavandería, dentro de los cuales están: un planchador de rodillos, un planchador pequeño, y 3 secadoras. En el sector de casa de máquinas se utiliza el vapor para calentar el bunker mediante un intercambiador de carcasa y tubos, y otro intercambiador en el tanque principal de bunker. Con respecto al retorno de condensado, todos los equipos tienen sus trampas de vapor, y tubería de retorno, existen dos tanques de condensado, uno para cada caldera según sea la que se está operando. Los equipos que no hay retorno condensado son: el manifold, el intercambiador de carcasa y tubos, y el intercambiador en el tanque principal de bunker. Además, en el manifold y los dos calentadores de bunker, el sistema de trampeo de vapor se encuentra dañado o mal instalado. La alimentación de combustible está conformada por el tanque principal de 2000 galones de bunker el cual se mantiene caliente con un intercambiador con vapor, el tanque diario utiliza resistencias eléctricas para mantener el bunker con una viscosidad ideal para el bombeo, además; antes de entrar a la caldera el bunker

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pasa por un intercambiador de carcasa y tubos que utiliza vapor. También, existe un sistema de alimentación de gas LPG para la llama piloto. El agua de alimentación cuenta con dos aportes: el condensado de retorno y el agua de reposición la cual pasa por un suavizador de Zeolita. Se cuentan con dos bombas eléctricas. Las tuberías instaladas se encuentran aisladas en su mayoría, con fibra de vidrio de 1 ½” a 2”. Además, el aislamiento está recubierto con lámina de aluminio remachada.

Figura 4. Caldera instalada marca Superior Boiler de 80 BHP a 80 psi. Tomada por: D. Vargas.

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5. Equipo instalado Algunos de los consumos se obtuvieron directamente de los catálogos del equipo. No obstante, no se obtuvieron datos de consumo de vapor de la plancha pequeña por lo que se procedió a buscar equipos similares y por lo que se utiliza un consumo de vapor aproximado. Para el caso del consumo de vapor del tanque de agua caliente y los calentadores de bunker se utilizaron una serie de cálculos que aproximan este consumo. Los cálculos se presentan en el Apéndice 1. Cálculos y estimaciones de los consumos de los equipos.. Tabla 1. Consumo de vapor por equipo Cantidad

Maquina

Consumo Total (Kg/h)

1

Plancha pequeña

20*

1

Plancha de rodillos 3.6 BHP (chicago sl13-135f)

50

3

Secadoras 9.5 BHP (Cissel)

446

1

Calentador de Bunker tanque mensual

2.6**

1

Calentador de bunker entrada de la caldera

3.8**

1

Calentador de agua (1000gal)

215**

Consumo total de vapor de los equipos

737.4

Fuente: *Valor obtenido de catálogo de equipo similar. ** Valores estimados (ver Apéndice 1. Cálculos y estimaciones de los consumos de los equipos.)

Los equipos que se presentaron anteriormente están en dos habitaciones distintas. El tanque de agua caliente y los calentadores de bunker se encuentran dentro del cuarto de máquinas, mientras que el resto de los equipos se encuentran en la lavandería. La distribución de estos equipos se muestra en la siguiente figura:

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Figura 5. Diagrama unifilar de la distribución de los equipos. Elaborado por: Autores en Auto CAD 2010.

En la siguiente tabla se muestra la simbología de los equipos mostrados para entender mejor el diagrama unifilar. Tabla 2. Simbología de los equipos

8

Punto

Equipo

A

Caldera

B

Manifold

C

Calentador de agua

D-E-F

Secadoras

G

Planchador de rodillos

H

Planchador pequeño

K

Calentador tanque de bunker

M

Pre-calentador de bunker

N

Caldera de respaldo

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Diagrama unifilar de la distribución de los equipos. Elaborado por: Autores en Auto CAD 2010.

Fuente: Simbología según unifilar mostrado en la Figura 5.

Las distancias que presentan cada tramo, según el diagrama unifilar anterior, son las siguientes: Tabla 3. Longitudes de la distribución de los equipos. Tramo Longitud (m) A-B

27,65

B-D

8,68

B-E

9,88

B-F

11,08

B-G

18,52

B-H

20,52

B-C

28,06

J-K

4,60

L-M

3,20

N-B

12,1

Fuente: Datos medidos en las instalaciones del hotel Wyndham Herradura

Para encontrar la longitud equivalente se utiliza la ecuación 1, tomando en cuenta una pérdida de 20% por accesorios: Ecuación 1. Fórmula para el cálculo de la longitud equivalente

Las posibles rutas críticas se muestran en la siguiente tabla: Tabla 4. Longitud equivalente para las posibles rutas críticas Ruta Crítica Presión (psi) Longitud real (m) Longitud equivalente (m) A-B-C

100

48

58

A-B-H

100

56

67

Fuente: Datos medidos en las instalaciones del Wyndham Herradura.

Por ende se selecciona el tramo A-B-H como ruta crítica. 9

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Los consumos de vapor máximos se dan de las 6 am a las 9 pm, momento en el cual se utilizan todos los equipos de la lavandería, el tanque calentador de agua (trabaja 24 horas), los calentadores de bunker funcionan mientras exista consumo de vapor.

6. Selección de la caldera y bomba de alimentación de agua 6.1.

Selección de la caldera

Las características para la operación y selección de la caldera son el consumo de vapor y la presión de trabajo. Además, se debe seleccionar la presión de trabajo se debe considerar lo siguiente: 

Presión requerida en el punto de uso;



Caída de presión a lo largo de la tubería debido a la fricción;



Pérdidas de calor a través de las tuberías.

Es recomendado seleccionar una presión de trabajo de la caldera mayor que la presión requerida por el equipo, ya que la presión caerá a medida que el vapor para por las tuberías. Además, se selecciona una presión mayor debido a que a mayores presiones el vapor tiene un volumen específico menor, por lo que las tuberías de distribución serán más pequeñas. Por lo tanto, en este caso se considerará una presión de trabajo de 100 psi debido a que todos los equipos trabajan a esta presión. Además, se utilizará un factor de ampliación de 20%, un factor de pérdidas por radiación de 1% por cada 30 m de tubería equivalente. Las longitudes reales de tubería se encuentran en la tabla 2, en la figura se observa que el tramo crítico es de A-B-H, debido a que es el punto más lejano al que se debe transportar el vapor. A esto se debe sumar un 20% (accesorios) a la longitud real para calcular la longitud equivalente debido a que el tramo A-F mide 56 m. 10

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Tabla 5. Datos base para el dimensionamiento de la caldera Consideración

Valores

Consumo total de vapor

737,4 kg/h

Longitud real

56 m

Factor de ampliación

20%

Factor de radiación

2,2%

Consumo total de vapor + ampliación + radiación

903 kg/h

Presión en el punto crítico aproximado

100 psi

Presión en la caldera

100 psi

Longitud Equivalente

67 m

Temperatura del agua alimentación caldera

80 °C

Fuente: Datos estimados y medidos para el sistema de vapor del hotel.

Según se menciona en el manual SELMEC de calderas, se debe considerar un factor de evaporación para seleccionar el consumo de la caldera. De la tabla presentada en el Anexo 2. Factores de evaporación, para los datos de presión y temperatura dados en la tabla anterior, se obtiene para este caso el factor de evaporación es de 1,077 (ver el Apéndice 2. Factor de evaporación) Tabla 6. Características de la caldera seleccionada

Marca

Cleaver Brooks

Modelo

CB

Tipo de

Evaporación

combustible

real (kg/h)

Bunker

972,5

Capacidad BHP

nominal a 100° C (kg/h)

70

1095,4

Capacidad real (kg/h)

1019,2

Fuente: Autores en Word 2010. Los cálculos de evaporación equivalente y BHP de la caldera se muestran en el Apéndice 3. Selección de la caldera

Nota: Ver Anexo 3. Características de la caldera seleccionada. En donde se observan algunos datos y características de la caldera seleccionada.

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6.2.

2013

Selección de la bomba de alimentación agua de la caldera

El reglamento de calderas de Costa Rica permite utilizar 1 bomba de alimentación de agua por ser categoría C, pero por recomendación se recomienda colocar dos bombas en paralelo para tener una de respaldo. Las bombas eléctricas permiten trasegar el agua necesaria para llevar a cabo el proceso de producción de vapor a la caldera. Se debe considerar las pérdidas de en la tubería para poder calcular la cabeza a levantar por la misma, según la Ecuación 8. Fórmula de Hazen-Williams para la estimación de pérdidas. De dicho cálculo se obtiene una pérdida de 0,0239 m.c.a (metros de columna de agua). A ello se le suma la presión de establecida de las válvulas de seguridad de 120 psi (1,20*Pcaldera) multiplicada por un factor de 1,5 para las pruebas hidrostaticas lo que da 180 psi (126,64 m.c.a), multiplicada por un factor de seguridad de 1,03; además, de la suma de una pérdida en los suavizadores de agua de 5 psi

(3,52 m.c.a). Finalmente se obtiene una pérdida de

aproximadamente 134,1 m.c.a (439,93 pies de columna de agua) . Los valores de caída de presión y caudal a manejar, para este caso es determinado por la capacidad de la caldera que es de 1097,72 kg/h; sin embargom se le aplica un factor de 1,5 veces como se indica en el reglamento de calderas, dando un resultado de 6 GPM, con la ayuda del software de selección de bombas multietapa del fabricante Bell & Gossett. Entonces se selecciona una bomba 1sv17 a 3500rpm. (Ver Anexo 4. Curvas características de la bomba de alimentación seleccionada)

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6.3.

2013

Selección del Suavizador

Con la cantidad de dureza a remover al día se puede seleccionar el suavizador, esta información se puede observar en el Apéndice 5 Cálculos para seleccionar el suavizador de agua. Debido a la natural importancia de obtener agua suavizada como alimentación a la caldera, se debe considerar un margen de error en la selección del suavizador. Para este margen es común el 15%, multiplicando los 2526,31 granos por 1,15 la demanda total a remover será de 2905,26 granos por día. Dado que el suavizador más pequeño es de 20000 granos, tenemos que la regeneración se debe hacer cada 6 días, debido a que el equipo funciona las 24 horas se debe elegir un suavizador twin, para que uno se regenere mientras el otro esté en funcionamiento. La selección se hace en capacidad mínima para tener el mínimo consumo de sales. El equipo seleccionado es el Hurst Hws-30-1T, mostrado en el Anexo 7. Selección de suavizador de agua. Tabla 7. Resumen de datos para la selección de suavizador Capacidad (Gls/día) Dureza (Grpg) Total (Gr/día) Total x 15% (Gr/día) 360

7.02

2526.31

2905.25

Fuente: Según los datos mostrados en el Apéndice 5 Cálculos para seleccionar el suavizador de agua.

13

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2013

7. Diseño del sistema de combustible 7.1.

Propiedades del bunker

En el hotel Wyndham se utiliza bunker como combustible para alimentar la caldera principal debido a su bajo costo. El poder calorífico mínimo de este combustible es de 41 MJ/Kg (17626.8 Btu/lb) según el manual de productos de RECOPE. Y su densidad es 939.2 Kg/m3 (a 15° C)

7.2.

Dimensionamiento del tanque de uso diario

Según el reglamento de calderas en el artículo 22: “las instalaciones para el empleo de combustibles líquidos en las calderas deberán cumplir con los requisitos mínimos siguientes: a) Los tanques diarios usados en el recinto de las calderas, tendrán una capacidad máxima suficiente para dos horas de funcionamiento de los quemadores de la caldera, sin exceder un máximo de 1000 litros. Por lo tanto, tenemos que: Tabla 8. Dimensionamiento del tanque de uso diario

Capacidad (l) 150

Dimensiones (m) Diámetro Largo 0,5

0,764

Fuente: Cálculos mostrados en el Apéndice 6. Cálculos para el dimensionamiento del tanque de consumo diario.

14

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7.3.

2013

Tanque principal de combustible

Si la compra de combustible se realiza cada 7 días; entonces, para dimensionar el tanque principal de combustible se debe tomar en cuenta que: la caldera opera 24 horas al día por 7 días, entonces se tiene un total de 168 horas (ver Apéndice 7. Estimaciones para el dimensionamiento del tanque principal) El volumen del tanque es de 12 400 litros, manteniendo el factor de seguridad debido a que el consumo de la caldera varía, debido a que; en momentos el quemador de la caldera no funciona cuando el consumo de vapor disminuye. Tabla 9. Dimensionamiento del tanque principal de bunker.

Capacidad (l) 12 400

Dimensiones (m) Diámetro Largo 1,82

4,76

Fuente: Cálculos mostrados en el Apéndice 7. Estimaciones para el dimensionamiento del tanque principal

8. Selección del diámetro de la chimenea Para seleccionar el diámetro de la chimenea, se tomó en cuenta la información suministrada por el SELMEC en la página 173, en donde indica que para una caldera de 70BHP es necesario un diámetro de 305 mm (12 in); además, se comprobó el dato utilizando la recomendación del fabricante de la caldera, la tabla de la recomendación puede ser vista en el Anexo 5. Características de la

chimenea recomendada por el fabricante. El espesor de la lámina de la chimenea debe ser mayor a 3 mm según recomendación del reglamento de calderas de Costa Rica. Debido a que en 5 m a la redonda no hay un techo más alto que el del departamento de calderas, el reglamento estipula una altura con respecto al techo de al menos 5 m, por lo que se deja esta altura para el diseño.

15

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2013

9. Diseño del sistema de distribución de vapor Para este diseño se dimensionan las tuberías de flujo de vapor, la selección de las válvulas reductoras de presión y válvulas de seguridad.

9.1.

Tuberías de vapor

La generación y distribución de vapor a una presión elevada tendrá las siguientes ventajas: 

Se requieren tuberías de distribución de vapor de menor diámetro. Al tener una superficie de intercambiador menor, las pérdidas de calor serán menores.



Menor costo de las líneas de distribución, en materiales como tuberías, bridas soportes, y mano de obra.



Menor costo del aislamiento.



Vapor más seco en el punto de utilización, debido al efecto de aumento de fracción seca que tiene lugar en cualquier reducción de presión.

En la selección de los diámetros de las tuberías de suministro de vapor, existen dos métodos de dimensionamiento, estos son: por velocidad y por caída de presión. El primer método cuenta con un problema debido a que no toma en cuenta el largo del recorrido y de esta forma se puede ocurrir que haya una presión excesivamente baja en alguno de los equipos. Cuanto más alejado está el punto de uso, menor es la presión de vapor obtenible. Además, debemos saber que en el equipo la temperatura del fluido calefactor puede ser relevante, también; se sabe que la presión y la temperatura del vapor saturado están estrechamente relacionados. Por lo tanto, es conveniente diseñar las tuberías por el método de caída de presión, ya que así se puede conocer la presión en cada punto de la red de distribución de vapor. El dimensionamiento de los diámetros se realizó mediante software de SpiraxSarco. Para ello, se toma en cuenta la presión del vapor, la caída de presión 16

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2013

permisible, el flujo másico de vapor, y la longitud equivalente de vapor; teniendo como resultado el diámetro de la tubería, la caída de presión obtenida, y la velocidad del vapor este valor se debe encontrar entre 30,5 m/s (6000 pie/s) a los 45 m/s (9000 pie/min) recomendados. Ecuación 2. Cálculo de las pérdidas por radiación

(

)

̇

Tabla 10. Longitudes equivalentes para los distintos tramos de la distribución de vapor Tramo L (m) Leq (m) m (kg/h) mnuevo (kg/h) P (KPa) ΔPPermisible (KPa) A-B

27,7

33,2

*1019,2

1127,9

690

10

**B-I

17,9

21,5

516,0

369,8

680

10

B-C

28,1

33,7

217,6

244,4

680

10

Fuente: Datos medidos en el hotel y calculados con la ecuación 1 y 2.

Notas: *Para obtener el flujo de vapor real de la caldera; es decir, la cantidad de vapor se debe transportar de A-B se dividió por el factor de evaporación de 1,077. **Se debe tomar en cuenta que para el suministro de vapor hacia la lavandería se utilizó un solo diámetro al mayor consumo de vapor de los equipos.

17

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2013

9.1.1. Resumen de diámetros Tabla 11. Diámetros obtenidos mediante la calculadora de Spirax Sarco. Tramo

Flujo vapor (kg/h) Presión (KPa) ϕ nominal (mm) Velocidad (m/s)

A-B

1019,2

680

65

22,3

B-I

516,0

675

50

16,3

B-C

217,6

671

32

15,4

Bajante D

148,7

674

20

NA

Bajante E

148,7

674

20

NA

Bajante F

148,7

674

20

NA

Bajante G

50

674

20

NA

Bajante H

20

674

20

NA

Bajante K

2,6

670

13

NA

Bajante M

3,8

680

13

NA

Fuente: Datos obtenidos utilizando la calculadora en línea de Spirax Sarco. Ver Apéndice 8. Diámetros obtenidos para cada tramo con la calculadora Spirax Sarco.

Nota: Para los bajantes se utilizó los diámetros recomendados por los fabricantes de los equipos.

18

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9.2.

2013

Determinación del espesor del aislante

Para determinar el espesor de los aislamientos, se utiliza una tabla de espesores recomendados para aislamiento de fibra de vidrio del fabricante RATSA, esta tabla se encuentra en el Anexo 6. Tabla referencia del aislamiento de fibra de

vidrio. Los resultados se presentan en la siguiente tabla: Tabla 12. Espesor de aislamiento seleccionado según los distintos tramos y el diámetro de tubería. Diámetro

Presión

Temperatura

Espesor

Pérdida de calor

(mm)

(KPa)

vapor (° C)

aislante (mm)

(W/m)

A-B

65

680

169,5

38,0

67,58

B-I

50

675

169,2

38,0

50,95

B-C

32

671

169,0

38,0

44,70

Bajante D

20

674

169,1

25,4

42,01

Bajante E

20

674

169,1

25,4

42,01

Bajante F

20

674

169,1

25,4

42,01

Bajante G

20

674

169,1

25,4

42,01

Bajante H

20

674

169,1

25,4

42,01

Bajante K

13

670

168,9

25,4

34,80

Bajante M

13

680

169,5

25,4

34,80

Tramo

Fuente: Según datos de fabricante Ratsa. Ver Anexo 6. Tabla referencia del aislamiento de fibra de vidrio.

19

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9.3.

2013

Selección de válvulas reguladoras de presión

Las válvulas reductoras de presión son dispositivos necesarios a la entrada de cada equipo, esto permite reducir la presión del vapor que viene de la caldera a la presión de trabajo requerida por el equipo demandante. En este caso solo ocuparemos válvulas reductoras de presión en los dos calentadores de bunker. Tabla 13. Datos para la selección de las válvulas reductoras de presión. Equipo

Q (lb/h)

P1(psig)

P1 (psia)

P2 (psig)

Cv calculado

Calentador de tanque

5,7

97,17

110,41

10

0,03

Pre-calentador

8,3

98,60

111,84

10

0,04

Fuente: Datos obtenidos mediante los cálculos mostrados en el Apéndice 9.

Tabla 14. Válvulas para reducción de presión por equipo y características de dimensionamiento. Equipo Calentador de tanque Precalentador

ARMSTRONG Modelo

Dnom (in) Cv catalogo

H (in)

H1 (in)

L (in)

GP1000

1/2

1

11 1/4

2 1/2

5 7/8

GP1000

1/2

1

11 1/4

2 1/2

5 7/8

Fuente: La selección de las válvulas se muestra en el Anexo 8. Datos técnicos de la válvula reguladora de presión GP-1000 marca Armstrong.

Figura 6. Válvula reguladora de presión GP-1000. Tomado de: Catálogo Armstrong.

20

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9.4.

2013

Selección de las válvulas de seguridad para los equipos

Según el reglamento de calderas las calderas categoría C deben ser dotadas de 2 válvulas de seguridad, estas válvulas son importantes debido a que estas permiten desalojar el vapor en caso de emergencia o sobre presión, el reglamento de calderas, decreto N° 26789; menciona lo siguiente con respecto a este ítem: Artículo 25, incisos: d) La capacidad total de descarga de la válvula, o de las válvulas de seguridad instaladas, deberá ser siempre mayor que la capacidad máxima de producción de vapor de la caldera. e) Sólo se permitirá el uso de las válvulas de seguridad tipo de resorte, y ajustables de tal manera que funcionen sin vibraciones. f) Por lo menos una de las válvulas de seguridad instaladas en la caldera se ajustará a una presión regulada del veinte por ciento mayor que la presión de trabajo de la caldera, pudiendo regularse las otras a una presión máxima igual que la presión máxima de trabajo. En ningún caso la presión regulada de las válvulas de seguridad será mayor que la presión máxima de trabajo. La presión de trabajo de la caldera es 690 kPa (6,9 Bar) y la presión máxima de trabajo es 1034 kPa (10,34 Bar). La capacidad de las dos válvulas de seguridad están a la misma de la caldera (1020 kg/h de vapor) y la presión de una válvula se calibrara al 20% más de la presión de operación de la caldera; es decir, 830 kPa (8,3 Bar) y la otra válvula se calibra a un 30% mayor de la presión de trabajo; es decir, 900 kPa (9,0 Bar) Estas válvulas fueron escogidas de los Catálogos de Spirax Sarco para las válvulas de seguridad SV60, que se recomiendan para aplicaciones en calderas.

21

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2013

Tabla 15. Selección de las válvulas de seguridad para la caldera utilizada

Equipo

Presión Presión Consumo trabajo establecida (kg/h) (Barg) (Barg)

Spirax Sarco

Orificio Capacidad (kg/h) (mm)

Modelo

Válvula 1 (Caldera)

1020

6,9

8,3

SV604AS DN 25/40

23,8

1953

Válvula 2 (Caldera)

1020

6,9

9,0

SV604AS DN 25/40

23,8

2161

Fuente: Catalogo de Spirax Sarco para válvulas de seguridad SV60 .

Ver Anexo 9. Datos

técnicos y selección de las válvulas de seguridad.

También se llevara a cabo la instalación de válvulas de seguridad para los equipos debido a se deben proteger por sobre-presión para evitar daños en los equipos. Tabla 16. Selección de las válvulas de seguridad para los equipos

Equipo

Consumo (kg/h)

Presión

Presión

trabajo

regulada

(Barg)

(Barg)

Modelo

Capacidad

SpiraxSarco

(kg/h)

Calentador de tanque

2,6

0,7

0,83

SV615 A DN15/20

87

Pre-calentador

3,8

0,7

0,83

SV615 A DN15/20

87

Fuente: Datos obtenidos en la Figura 24. Selección de la válvula de seguridad para los equipos. Tomado de: Catálogo de válvulas de seguridad SV615 de Spirax Sarco

22

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9.5.

2013

Soportes y juntas de expansión

9.5.1. Juntas de expansión Las juntas de expansión cumplen la función de compensar la dilatación o contracción axial que sufre la tubería, debido a los cambios de temperatura, por lo tanto la función de las juntas de expansión en una tubería es absorber dichas dilataciones y contracciones, donde esto significa la liberación de la fuerza de reacción axial hacia los anclajes o puntos fijos. La estimación de la expansión de la tubería es importante, por lo que se procede a calcularla para cuantificar este movimiento, por lo que se trabaja con una temperatura ambiente de 25º C, la constante α es de 0.0149 mm/m º C para el hierro al carbono (Figura 25. Coeficiente de expansión α (mm/m °C x10-3). Tomado de:

http://www.spiraxsarco.com/resources/steam-engineering-tutorials/steam-

distribution/pipe-expansion-and-support.asp En el Anexo 10. Dimensionamiento de las juntas de expansión). La temperatura de operación es de 169° C (según la Tabla 10. Longitudes equivalentes para los distintos tramos de la distribución de vapor) Ecuación 3. Fórmula para calcular la expansión térmica de la tubería

(

)

Tabla 17. Expansiones térmicas obtenidas para los distintos diámetros y tramos de tubería. Tramo

Diámetro (mm)

Longitud (m)

Expansión (mm)

A-B

65

27,7

59,4

B-I

50

17,9

38,4

B-C

32

28,1

60,3

Fuente: Elaboración de los autores. Cálculos mediante la Ecuación 3. Fórmula para calcular la expansión térmica de la tubería.

23

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2013

Se seleccionaron las juntas de expansión de Vaportec, la cual se encuentra en la siguiente figura:

Figura 7. Detalle de la junta de expansión. Tomado de: http://www.vaportec.com.ar/juntas-expansion.html

Para cada tramo se seleccionó una junta de expansión con las dimensiones correspondientes como lo muestra la siguiente tabla:. Tabla 18. Dimensiones de la juntas de expansión seleccionadas Tramo

Diámetro Tubería (mm)

Longitud junta (mm)

Diámetro Junta (mm)

A-B

65

610

73,0

B-I

50

360

60,3

B-C

32

580

42,2

Fuente: Datos mostrados según el Anexo 10. Dimensionamiento de las juntas de expansión

9.5.2. Soportes Se eligen soportes con rodillo para permitir el movimiento axial de las tuberías debido a la dilatación térmica, para seleccionar el soporte de cada tubería se debe tomar en cuenta que el espesor del aislante es de 38 mm. Nota: Para la selección de la cantidad de soportes por tubería, se utilizó la información de la Tabla 27. Distancia recomendadas entre soportes Para encontrar las distancias entre cada soporte y de la Figura 27. Dimensiones para los soportes. Tomado de: BOSS Flamco Pipe Support System Introduction de BSS

24

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2013

Pipeline & Heating Solutions. se obtuvieron las dimensiones del soporte, ver el Anexo 11. Dimensionamiento de los soportes de las tuberías. Tabla 19. Selección de soportes de tuberías de vapor.

Diámetro Tramo

externo (mm)

Diámetro con

Longitud

Distancia entre

Número de

Código de

aislante

(m)

soportes (m)

soportes

soporte

(mm)

AB

73,03

111,03

27,65

3,7

7

19113377

BI

60,33

98,33

18,92

3,4

5

19113366

NB

73,03

111,03

12,10

3,7

3

19113377

BC

33,40

71,04

28,06

2,7

10

19113322

Fuente: Datos basados en el Anexo 11. Dimensionamiento de los soportes de las tuberías..

10.

Diseño del sistema de retorno de condensados 10.1.

Dimensionamiento del tanque de condensados

El criterio recomendado (SELMEC) para obtener la cantidad de agua de reserva y la capacidad del tanque es el de almacenar una cantidad mínima de agua suficiente para sostener la evaporación de la caldera por lo menos durante 20 minutos y con un factor de seguridad de 1,3. Tabla 20. Dimensiones del tanque de condensado.

Capacidad (l) 477

Dimensiones (m) Diámetro Largo 0,7

1,5

Fuente: Datos obtenidos mediante los cálculos mostrados en el apéndice x.

El tanque de condensado está abierto a la atmósfera, por lo que la presión interna será igual a la atmosférica.

25

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10.2.

2013

Diseño de las tuberías 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, y 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 25 m/s es aceptable.

Figura 8. Diagrama unifilar de las tuberías de retorno de condensado. Elaborado por Autores en AutoCAD 2010

26

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2013

Tabla 21. Simbología del diagrama unifilar de la tuberías de retorno de condensado. Punto

Equipo

A

Tanque de condensado, caldera principal

B

Calentador de agua

C

Tanque de condensado, caldera respaldo

D

Manifold

E-F-G

Secadoras

H

Planchador de rodillos

I

Planchador pequeño

Fuente: Elaborado por Autores con Word 2010.

Tabla 22. Diámetros de tubería obtenida para cada tramo Tramo

Diámetro (mm)

J-C

25

B-C

15

D-K

15

C-A

32

E-F-G

15

Salida I

10

Salida H

10

Fuente: Cálculos obtenidos mediante el calculador de Spirax Sarco. Ver Apéndice 11. Dimensionamiento de las tuberías de retorno de condensado.

10.3.

Selección de los soportes para la tubería de condensados Tabla 23. Soportes obtenidos para las tuberías de condensados. Diámetro

Longitud

Distancia entre

Número de

Código de

externo (mm)

(m)

soportes (m)

soportes

soporte

J-C

25

17,2

2,7

7

19113300

B-C

15

22,2

2

5

19420001

C-A

32

21,6

2,7

10

19113311

Tramo

Fuente: Selección según datos de fabricante Boss. Ver Anexo 12. Selección de los soportes de las tuberías de condensado.

27

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10.4.

2013

Selección de trampas de vapor

Para la selección de las trampas de vapor de los equipos se utiliza el Guía para la conservación de Vapor en el drenado de condensados (Evaluación y Selección de Trampa de Vapor) de Armstrong. Utilizando los datos de caudal y presión diferencial para determinar el diámetro nominal requerido. Tabla 24. Selección de trampas de vapor en las salidas de los equipos Flujo de Punto

Flujo

la

(Kg/h)

trampa (Kg/h)

Factor de

Modelo

Diámetro

Numero

seguridad

de la

del orificio

de

real

trampa

(in)

trampas

B

217,6

690

3,17

212

5/32

1

D

152,9

690

4,50

212

5/32

1

Salidas G-F-E

74,35

245

3,30

212

7/64

Salida I

20

175

8,75

800

#38

1

Salida H

50

175

3,5

800

#38

1

2,6

50

19,23

5/32

1

212

3,8

50

13,16

5/32

1

212

2 por c/punto

Calentador Tanque de bunker Precalentador de bunker

Fuente: Elaborado por los autores en Word 2013. Según datos obtenidos del Anexo 13. Gráfica para selección de trampas de balde invertido.

28

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2013

Tabla 25. Selección de trampas de vapor tuberias de alimentación

Punto

I Plancha pequeña Plancha de rodillos

Flujo de

Factor de

Modelo

Diámetro

Numero

la trampa

seguridad

de la

del orificio

de

(Kg/h)

real

trampa

(in)

trampas

516

1700

3,3

214

9/32

1

20

175

8,75

800

#38

1

50

175

8,75

800

#38

1

Flujo (Kg/h)

1 por Secadoras

148,7

450

3

212

1/8

cada secadora

Calentador de agua

217,6

690

3,17

212

5/32

1

2,6

175

67,30

800

#38

1

3,8

175

46,05

800

#38

1

Calentador Tanque de bunker Pre-calentador de bunker

Elaborado por Autores en Word 2010. Fuente: Datos obtenidos de la Figura 29. Gráfica capacidades de las trampas de balde invertido

29

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10.5.

2013

Filtros

Los filtros sirven para proteger de la suciedad, incrustaciones, limaduras de hierro, escoria y otras partículas extrañas que se encuentran en el vapor y que son transportadas a través de las tuberías. Además se seleccionaron filtros tipo Y con conexiones de rosca y de un material de acero, estos filtros fueron tomados del manual de productos de Spirax Sarco. Para el dimensionamiento de los filtros se partió del diámetro de la tubería que llega a cada trampa de vapor. Los datos se muestran a continuación. Tabla 26. Selección de filtros para las tuberías. Sección

Diámetro tubería (in)

Modelo

Tamaño (in)

Plancha pequeña

3/8

Fig. 14 DN10 ANSI 300

3/8

Plancha de rodillos

3/8

Fig. 14 DN10 ANSI 300

3/8

Secadoras

1/2

Fig. 34 DN15 PN40

1/2

Calentador de agua

1/2

Fig. 34 DN15 PN40

1/2

1/2

Fig. 34 DN15 PN40

1/2

Pre-calentador de bunker

1/2

Fig. 34 DN15 PN40

1/2

B

1/2

Fig. 34 DN15 PN40

1/2

D

1/2

Fig. 34 DN15 PN40

1/2

Salidas G-F-E

1/2

Fig. 34 DN15 PN40

1/2

Salida I

3/8

Fig. 14 DN10 ANSI 300

3/8

Salida H

3/8

Fig. 14 DN10 ANSI 300

3/8

Calentador Tanque de bunker

Fuente: Datos seleccionados en con el catálogo de filtros de Spirax Sarco. Ver Anexo 14. Selección de filtros

30

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11.

2013

Conclusiones

 Se rediseñó el sistema de vapor del Hotel Wyndham San José-Herradura para que cumpliera con los requisitos del reglamento de calderas de Costa Rica y que abasteciera correctamente los equipos que consumen vapor.  Se determinó que los equipos que requieren suministro de vapor son 3 secadoras, 2 planchadores (uno de rodillo y otro manual), 1 calentador de agua y los dos calentadores de bunker.  Se midieron las dimensiones del cuarto de calderas y las distancias a los equipos en las distintas visitas al hotel.  Se seleccionó la caldera Clever Brooks de 70 BHP adecuada para cumplir con los requerimientos de los equipos y que compensará la caída de presión.  Se dimensionaron los diámetros de las tuberías de suministro de vapor y retorno de condensado utilizando el calculador de Spirax Sarco y otras metodologías.  Se escogieron los accesorios del sistema de vapor.  Se eligió el sistema suavizador de agua de la caldera.  Se diseñó el sistema de alimentación de agua y almacenamiento de combustible  Se realizaron los planos del cuarto de calderas y unifilares de las tuberías de suministro de vapor.

31

REDISEÑO DEL SISTEMA DE VAPOR DEL HOTEL WYNDHAM SAN JOSE-HERRADURA

12. 

2013

Recomendaciones Las tuberías de condensado no se deben aislar debido a que la energía que no se pierde por transferencia de calor al ambiente, se perderá por la producción de vapor flash en el tanque de condensado.



Realizar la instalación de trampas de vapor como se muestran en los planos adjuntos para garantizar su vida útil y mantenimiento.



Solicitar asesoramiento de expertos en el tema de sistemas de vapor para evitar sobredimensionar los equipos.



Corregir el mal funcionamiento de las trampas de vapor existentes.



Trampear y recuperar el condensado del manifold.



Cuantificar la instalación de un sistema de calentamiento indirecto de bunker, para poder recuperar el condensado.



Mejorar el aislamiento de las tuberías y del tanque de calentamiento de agua.



Colocar trampas de vapor en los bajantes de la tubería ramales.

32

REDISEÑO DEL SISTEMA DE VAPOR DEL HOTEL WYNDHAM SAN JOSE-HERRADURA

13.

2013

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34

de

REDISEÑO DEL SISTEMA DE VAPOR DEL HOTEL WYNDHAM SAN JOSE-HERRADURA

14.

2013

Anexos

14.1.

Anexo 1. Catálogo de los equipos instalados

Figura 9. Características de las secadoras Cisell. Tomado de: Catalogo del fabricante 35

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2013

Figura 10. Consumo de la plancha de rodillos Chicago. Tomado de: Catalogo del fabricante

36

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14.2.

2013

Anexo 2. Factores de evaporación

Figura 11. Factores de evaporación para diferentes presiones y temperaturas del agua de alimentación. Tomado de: http://be.convdocs.org/pars_docs/refs/35/34581/34581_html_500ee03b.png

14.3.

Anexo 3. Características de la caldera seleccionada

Se selecciona la caldera con los cálculos mostrados en el Apéndice 3. Selección de la caldera

37

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2013

Figura 12. Características de la caldera Cleaver Brooks modelo CB de 70 BHP. Tomado de: Catálogo de la marca Cleaver Brooks.

14.4.

Anexo 4. Curvas características de la bomba de alimentación

seleccionada

Figura 13. Curvas características de la bomba selecciona. Tomado de: Bell & Gossett.

38

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14.5.

2013

Anexo 5. Características de la chimenea recomendada por

el fabricante.

Figura 14. Características de la chimenea Cleaver Brooks modelo CB. Tomado de: Catálogo de la marca Cleaver Brooks.

14.6.

Anexo 6. Tabla referencia del aislamiento de fibra de vidrio.

Figura 15. Espesores recomendados de aislamiento para tuberías calientes para una Temperatura ambiental de 25° C. Tomado de: Fiberglas aislamiento para tubería. 39

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14.7.

Anexo 7. Selección de suavizador de agua

Figura 16. Tabla de selección de suavizador. Tomado de http://www.calderascolombia.com/Draft_3.pdf

40

2013

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14.8.

2013

Anexo 8. Datos técnicos de la válvula reguladora de

presión GP-1000 marca Armstrong.

Figura 17. Selección de la válvula reguladora de presión GP-1000. Tomado de: Catálogo de la válvula GP1000 marca Armstrong

41

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2013

Figura 18. Dimensiones de la válvula reductora de presión seleccionada. Tomado de: Catálogo de la válvula GP1000 marca Armstrong

14.9.

Anexo 9. Datos técnicos y selección de las válvulas de

seguridad.

Figura 19. Datos técnicos para la válvula de seguridad SV604. Tomado de: Catálogo de Válvulas de seguridad SV60 Spirax Sarco

42

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2013

Figura 20. Selección de la válvula de seguridad SV60 de Spirax Sarco. Tomado de: Catálogo de Válvulas de seguridad SV60 Spirax Sarco

Figura 21. Guía de selección de válvulas de seguridad SV60. Tomado de: Catálogo de Válvulas de seguridad SV60 Spirax Sarco

43

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2013

Figura 22. Dimensiones de la válvula de seguridad selecciona para la caldera. Tomado de: Catálogo de Válvulas de seguridad SV60 Spirax Sarco

Figura 23. Instalación correcta de la válvula de seguridad. Tomado de: Catálogo de Válvulas de seguridad SV60 Spirax Sarco

44

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2013

Figura 24. Selección de la válvula de seguridad para los equipos. Tomado de: Catálogo de válvulas de seguridad SV615 de Spirax Sarco

45

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14.10.

2013

Anexo 10. Dimensionamiento de las juntas de expansión

Figura 25. Coeficiente de expansión α (mm/m °C x10-3). Tomado de: http://www.spiraxsarco.com/resources/steam-engineering-tutorials/steamdistribution/pipe-expansion-and-support.asp

Figura 26. Selección de las juntas de expansión. Tomado de: http://www.vaportec.com.ar/juntas-expansion.html

46

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14.11.

2013

Anexo 11. Dimensionamiento de los soportes de las

tuberías. Tabla 27. Distancia recomendadas entre soportes

Fuente: Distribución de vapor. Guía técnica de Spirax Sarco.

Figura 27. Dimensiones para los soportes. Tomado de: BOSS Flamco Pipe Support System Introduction de BSS Pipeline & Heating Solutions.

47

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14.12.

2013

Anexo 12. Selección de los soportes de las tuberías de

condensado.

Figura 28. Dimensiones para los soportes para las tuberías de condensado. Tomado de: BOSS Flamco Pipe Support System Introduction de BSS Pipeline & Heating Solutions.

48

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14.13.

2013

Anexo 13. Gráfica para selección de trampas de balde

invertido.

Figura 29. Gráfica capacidades de las trampas de balde invertido. Tomado de http://www.armstronginternational.com/files/products/traps/pdf/108spanish.pdf

49

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14.14.

2013

Anexo 14. Selección de filtros

Figura 30. Selección de filtros de la marca Spirax Sarco. Tomado de: http://www.spiraxsarco.com/es/products-services/products/pipelineancillaries/strainers-and-filters.asp?material=4&#range

50

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15.

2013

Apéndices

15.1.

Apéndice 1. Cálculos y estimaciones de los consumos de

los equipos. 

Calentamiento de agua con vapor Ecuación 4. Estimación del consumo de un calentador de agua con vapor

(

)

Para el calentador de agua se tiene que: ( 

)

Calentamiento de combustible (Bunker) con vapor

Ecuación 5. Fórmula para estimar el consumo de un calentador de combustible con vapor

( ) GPM aproximados=0.37 

Calentador tanque principal: (



Calentador pequeño: (



Secadoras:

51

)

)

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15.2.

2013

Apéndice 2. Factor de evaporación Tabla 28. Interpolación del factor de evaporación Temperatura agua alimentación (° C) Factor de evaporación 77

1,083

80

1,077

82

1,073

Fuente: Datos basados en el Anexo 2. Factores de evaporación. El factor de evaporación (R) para una temperatura de agua de alimentación de 80° C, es de 1,077.

15.3.

Apéndice 3. Selección de la caldera

Para el cálculo de los BHP que debe tener la caldera seleccionada, se utiliza: Ecuación 6. Fórmula para determinar la evaporación real de la caldera.

̇ Ecuación 7. Cálculo de los caballos caldera necesarios

Entonces para este caso tenemos que:

52

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15.4.

2013

Apéndice 4. Cálculos para seleccionar la bomba de

alimentación de agua. Ecuación 8. Fórmula de Hazen-Williams para la estimación de pérdidas.

[

(

)

Donde: 

h: perdida de carga en metros



Q: caudal (m3/s)



C: coeficiente de rugosidad



L: longitud de la tuberia (m)

Al sustituir los valores tenemos que: [

53

(

)

]

]

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15.5.

2013

Apéndice 5 Cálculos para seleccionar el suavizador de

agua. a) Determinar la Dureza en el agua, la dureza promedio del agua suministrada por el acueducto es de 120 ppm. El análisis recibido o muestreado es en partes por millón (ppm), convertirlo a granos por galón (gpg), dividiéndolo entre 17,1; 120/17,1 = 7,02 gpg b) Determinar los caballos vapor caldera. 70 BHP c) Determinar la alimentación de agua máxima a la caldera. La capacidad de la caldera es de 70 BHP, convertir los BHP a galones de agua por hora necesarios para alimentar la caldera, BHP x 4.25 galones por hora, 70 X 4.25 =297 galones por hora. d) Determinar la cantidad de condensados de retorno o recuperados, y determinar la alimentación neta a la caldera. La alimentación de diseño es de 297 galones por hora, debido a que los únicos equipos que no tienen retorno de condensado, son los calentadores de bunker y estos equipos son los que menos consumen vapor, el porcentaje de retorno de condensado se tomara como 95%, por lo tanto la alimentación neta será de 15 galones por hora. e) Determinar la alimentación total requerida por día, 15 galones por hora, si el sistema opera 24 horas por día, 15 x 24 horas = 360 galones por día. f) Determinar los granos totales de dureza a remover por día, 360 galones por día con una dureza de 7.02 gpg (granos por galón) será 360 X 7,02 = 2526,31 granos de dureza a remover por día.

54

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15.6.

2013

Apéndice 6. Cálculos para el dimensionamiento del tanque

de consumo diario. Como se puede observar en la Figura 12. Características de la caldera Cleaver Brooks modelo CB de 70 BHP. Tomado de: Catálogo de la marca Cleaver Brooks. Brooks, el consumo es de 19,5 galones/hora de bunker (basado en un poder calórico de 150 000 BTU/gal), entonces para cumplir con las dos horas que pide el reglamento de calderas, tenemos: Ecuación 9. Fórmula para el cálculo del volumen de combustible necesario para la caldera Cleaver Brooks Modelo CB de 70 BHP.

(

)

(

)

(

)

Entonces tenemos que: ( (

15.7.

) )

Apéndice 7. Estimaciones para el dimensionamiento del

tanque principal Si la compra de combustible se realiza cada 7 días; entonces, para dimensionar el tanque principal de combustible se debe tomar en cuenta que: la caldera opera 24 horas al día, por lo tanto:

(

)

El volumen del tanque es de 3276 gal=12 400 litros.

55

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15.8.

2013

Apéndice 8. Diámetros obtenidos para cada tramo con la

calculadora Spirax Sarco. 15.8.1.

Tramo A-B

Figura 31. Diámetro obtenido para el tramo A-B mediante el uso de la calculadora para tuberías nuevas de Spirax Sarco.

56

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15.8.2.

2013

Tramo B-I

Figura 32. . Diámetro obtenido para el tramo B-I mediante el uso de la calculadora para tuberías nuevas de Spirax Sarco.

15.8.3.

Tramo B-C

Figura 33. . Diámetro obtenido para el tramo B-C mediante el uso de la calculadora para tuberías nuevas de Spirax Sarco. 57

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15.9.

2013

Apéndice 9.

El procedimiento para el cálculo de coeficiente de la válvula reguladora de presión es el siguiente: Ecuación 10. Fórmula para obtener Cv de la válvula reguladora de presión

√

(

)

Ecuación 11. Fórmula para obtener Cv de la válvula reguladora de presión.

En este caso solo ocuparemos válvulas reductoras de presión en los dos calentadores de bunker. Con P2=10 psig y P1=100 psig, entonces se utiliza la ecuación 11, para las el calentador del tanque W 1=5,735 lb/h con un CV=0,03 y para el pre-calentador W 2=8,325 lb/h con un CV=0,04, se escogen la válvulas de reducción para cada equipo, utilizando el catálogo de Armstrong. (Ver Anexo 8. Datos técnicos de la válvula reguladora de presión GP-1000 marca Armstrong.)

15.10.

Apéndice 10. Dimensionamiento del tanque de condensado

El tanque de retorno de condensado se dimensiona según la siguiente ecuación: Ecuación 12. Fórmula para calcular la capacidad del tanque de condensado

(

)

Por lo tanto tenemos que: (

) ( ()

58

)

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15.11.

2013

Apéndice 11. Dimensionamiento de las tuberías de retorno

de condensado. 15.11.1.

Salida del planchador pequeño

Figura 34. Diámetro obtenido para la salida del planchador pequeño mediante el uso de la calculadora de Spirax Sarco.

15.11.2.

Salida plancha de rodillos

Figura 35. Diámetro obtenido para la salida del planchador de rodillo mediante el uso de la calculadora de Spirax Sarco 59

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15.11.3.

2013

Salidas de las secadoras

Figura 36. Diámetro obtenido para la salida de las secadoras mediante el uso de la calculadora de Spirax Sarco

15.11.4.

Tramo D-K:

Figura 37. Diámetro obtenido para el tramo D-K mediante el uso de la calculadora de Spirax Sarco

60

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15.11.5.

2013

Tramo J-C:

Figura 38. Diámetro obtenido para el tramo J-C mediante el uso de la calculadora de Spirax Sarco

15.11.6.

Tramo B-C

Figura 39. Diámetro obtenido para el tramo B-C mediante el uso de la calculadora de Spirax Sarco

61

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15.11.7.

2013

Tramo C-A

Figura 40 Diámetro obtenido para el tramo C-A mediante el uso de la calculadora de Spirax Sarco

62