Calorimetro de e4strangulacion
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ESCUELA SUPERIOR POLITCNICA DE
CHIMBORAZO
FACULTAD DE MECNICA
ESCUELA DE INGENIERA MECNICA
DISEO, CONSTRUCCIN Y PRUEBAS DE UN
CALORMETRO DE ESTRANGULAMIENTO PARA
EL LABORATORIO DE TERMODINMICA DE LA
FACULTAD DE MECNICA DE LA ESPOCH.
ADONAS PATRICIO LPEZ LPEZ
LUIS ENRIQUE SALAZAR OROZCO
TESIS DE GRADOPrevia a la obtencin del ttulo de:INGENIERO MECNICO
Riobamba Ecuador2011
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EspochFacultad de Mecnica
CERTIFICADO DE APROBACIN DE TESIS
CONSEJO DIRECTIVO
Junio, 08 del 2011
Yo recomiendo que la Tesis preparada por:
ADONIAS PATRICIO LPEZ LPEZ
Titulada:
DISEO, CONSTRUCCIN Y PRUEBAS DE UN CALORMETRO DE
ESTRANGULAMIENTO PARA EL LABORATORIO DE TERMODINMICA
DE LA FACULATAD DE MECNICA DE LA ESPOCH
Sea aceptada como parcial complementacin de los requerimientos para el Ttulo de:
INGENIERO MECNICO
Ing. Geovanny Novillo A.DECANO DE LA FAC. DE MECNICA
Nosotros coincidimos con esta recomendacin:
Ing. Gilberto ZabalaDIRECTOR DE TESIS
Ing. Rodrigo DazASESOR DE TESIS
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EspochFacultad de Mecnica
CERTIFICADO DE APROBACIN DE TESIS
CONSEJO DIRECTIVO
Junio, 08 del 2011
Yo recomiendo que la Tesis preparada por:
LUIS ENRIQUE SALAZAR OROZCO
Titulada:
DISEO, CONSTRUCCIN Y PRUEBAS DE UN CALORMETRO DE
ESTRANGULAMIENTO PARA EL LABORATORIO DE TERMODINMICA
DE LA FACULATAD DE MECNICA DE LA ESPOCH
Sea aceptada como parcial complementacin de los requerimientos para el Ttulo de:
INGENIERO MECNICO
Ing. Geovanny Novillo A.
DECANO DE LA FAC. DE MECNICA
Nosotros coincidimos con esta recomendacin:
Ing. Gilberto ZabalaDIRECTOR DE TESIS
Ing. Rodrigo DazASESOR DE TESIS
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EspochFacultad de Mecnica
CERTIFICADO DE EXAMINACIN DE TESIS
NOMBRE DEL ESTUDIANTE: ADONIAS PATRICIO LPEZ LPEZ
TTULO DE LA TESIS:DISEO, CONSTRUCCIN Y PRUEBAS DE
UN CALORMETRO DE ESTRANGULAMIENTO PARA EL
LABORATORIO DE TERMODINMICA DE LA FACULATAD DE
MECNICA DE LA ESPOCHFecha de Examinacin: Junio, 08 del 2011
RESULTADO DE LA EXAMINACIN:
COMIT DE EXAMINACIN APRUEBA NOAPRUEBA
FIRMA
Ing. Geovanny Novillo A.(Presidente Trib. Defensa)Ing. Gilberto Zabala
(Director de Tesis)Ing. Rodrigo Daz(Asesor)
* Ms que un voto de no aprobacin es razn suficiente para la falla total.
RECOMENDACIONES:
El Presidente del Tribunal quien certifica al Consejo Directivo que las condiciones de la
defensa se han cumplido.
f) Presidente del Tribunal
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EspochFacultad de Mecnica
CERTIFICADO DE EXAMINACIN DE TESIS
NOMBRE DEL ESTUDIANTE: LUIS ENRIQUE SALAZAR OROZCO
TTULO DE LA TESIS:DISEO, CONSTRUCCIN Y PRUEBAS DE
UN CALORMETRO DE ESTRANGULAMIENTO PARA EL
LABORATORIO DE TERMODINMICA DE LA FACULATAD DE
MECNICA DE LA ESPOCHFecha de Examinacin:Junio, 08 del 2011
RESULTADO DE LA EXAMINACIN:
COMIT DE EXAMINACIN APRUEBA NOAPRUEBA
FIRMA
Ing. Geovanny Novillo A.(Presidente Trib. Defensa)Ing. Gilberto Zabala
(Director de Tesis)Ing. Rodrigo Daz(Asesor)
* Ms que un voto de no aprobacin es razn suficiente para la falla total.
RECOMENDACIONES:
El Presidente del Tribunal quien certifica al Consejo Directivo que las condiciones de la
defensa se han cumplido.
f) Presidente del Tribunal
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DERECHOS DE AUTORA
El trabajo de grado que presentamos, es original y basado en el proceso de investigacin
y/o adaptacin tecnolgica establecido en la Facultad de Mecnica de la Escuela
Superior Politcnica de Chimborazo. En tal virtud, los fundamentos tericos -
cientficos y los resultados son de exclusiva responsabilidad de los autores. El
patrimonio intelectual le pertenece ala Escuela SuperiorPolitcnica de Chimborazo.
f) Adonias Patricio Lpez Lpez f) Luis Enrique Salazar Orozco
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AGRADECIMIENTO
Ante todo a DIOS por habernos dado la vida, a nuestros padres que nos han
apoyado incondicionalmente en los buenos y malos momentos; a todos los amigos que
hemos hecho en el transcurso de nuestra carrera, con los cuales pasamos buenos
momentos dentro y fuera de las aulas, a nuestros profesores por habernos enseado y
capacitado a lo largo de nuestra etapa como estudiantes por todo esto y ms, muchas
gracias a todos.
Patricio Lpez Lpez.
Luis Salazar Orozco.
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DEDICATORIA
Este trabajo va dedicado a nuestros padres, familiares, profesores y amigos ya
que siempre nos apoyaron incondicionalmente durante nuestra carrera universitaria.
Patricio Lpez Lpez.
Luis Salazar Orozco.
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CAPTULO PGINA
1.
1.1 ..11.2 .11.3 ..21.3.1 .21.3.2 .2
TABLA DE CONTENIDOS
GENERALIDADES Y OBJETIVOS
AntecedentesJustificacin..Objetivo..Objetivo general.Objetivos especficos
2.DIFERENTES MTODOS DE EVALUAR LA CALIDAD. TIPOS DEGENERADORES DE VAPOR
2.1 ....32.1.2 ....32.1.2 ...42.1.2.1 ...42.2.2.1.1 ....52.1.2.1.2 .52.1.2.1.3 ...62.1.2.2 ....62.2 ..62.2.1 ....72.2.1.1 ...7
2.2.1.2 ..82.2.2 ....82.2.2.1 ....92.2.2.2 ..102.2.2.3 ...112.2.2.4 ...122.3 ....122.3.1 ..132.3.1.1 .132.3.1.2 ...14
2.3.1.3 ...142.3.1.4 ....152.3.1.5 ....162.3.1.6 .172.3.1.7 ..172.4 .182.4.1 .182.4.2 ...192.4.3 ..20
Clasificacin de los generadores de vaporAcuotubularesPirotubulares.Aplicaciones de los generadores de vapor
HogarCondensadorBombas y tanques de almacenamiento
Proceso de estrangulamiento.Tablas de vaporDiagrama de Mollier..Generadores de vaporPartes de un generador de vaporEconomizador
Sus desventajasCalormetro de estrangulamientoFuncionamiento
Las termodinmicaslas termoestticasSeparador de condensado...
Chimenea
SobrecalentadorQuemador
Determinacin de la calidad del vaporCalormetro de separacinSobre su funcionamiento
Mtodos para mejorar la calidad del vaporTrampas de vaporLas mecnicas
MARCO TERICO: ANLISIS DEL VAPOR HMEDO Y LOS
Calidad del vaporCausas para una baja calidad del vapor
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3.ESTRANGULAMIENTO
3.1 ...223.1.1 ....223.1.2 ....223.1.3 .233.1.4 .223.1.4.1 ..233.1.4.2 ..243.1.4.2.1 ..243.1.4.2.2 .253.1.4.2.3 .253.1.5 ..263.1.5.1 273.1.5.1.1 .273.1.5.1.2 ..283.1.5.1.2.1 283.1.5.1.2.2 .293.1.5.1.2.3 .303.1.6 .313.1.5.2 .323.1.5.3 343.1.5.3.1 .343.1.5.3.2 .353.4.5.3.2.1 .353.1.5.3.3 ..363.1.5.3.3.1 363.1.5.3.3.2 .363.1.5.3.3.3 .373.1.5.3.3.4 ..373.1.5.3.4 373.1.5.3.5 .373.1.5.3.6 383.1.6 ..41
3.1.6.1 ..413.6.2 433.1.6.2.1 ..433.1.6.3 .443.1.6.4 Nmeros adimensionales..443.1.6.4.1 Nmero de Nusselt (Nu).443.1.6.4.2 Nmero de Prandtl (Pr).453.1.6.4.3 Nmero de Reynolds (Re)..453.1.6.4.4 Nmero de Grashof (Gr)..463.1.6.5 Datos para el clculo.46
3.1.6.5.1 Clculo del aislante...473.1.6.5.1.1 Resistencias trmicas...473.1.7 Construccin de la cmara de expansin.56
Diseo de la camara de expansinSeleccin del aislamiento trmico
Conduccin de calor en paredes cilndricasConveccinConveccin forzada..Conduccin
Presin de operacin.Presin de diseo.Mxima presin permitida de operacinPresin hidrosttica..Valores del esfuerzo mximoEficiencia de las juntas
Dimensionamiento de la cmara de expansinDiseo mecnico de la cmara de expansinCargasEsfuerzosEsfuerzos en cascos cilndricosPresin interna
Componentes de una vlvula industrialClasificacin de las vlvulas industrialesVlvula de globo..Vlvula de compuertaVlvula esfricaCmara de expansin
Clculo del dimetro de la tuberaFlujo msicoPresin de trabajo de la calderaVolumen especfico del vaporSeleccin de la vlvula de estrangulamientoVlvulas industriales
Seleccin de los ductos del equipoTuberias de vapor
Normas para tuberasClasificacin de llos ductos
Diseo de la tuberiaDiseo de tuberias mediante la velocidad del vapor
DISEO Y CONSTRUCCIN DEL CALORIMETRO DE
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44.1 ..604.2 ..604.2.1 .614.2.2 624.3 ..624.3.1 ..624.4 Quemador de gas....634.5 Vlvula de seguridad....644.6 Vlvulas de purga....664.7 Sistema elctrico..674.7.1 Contactor...674.7.2 Rele..674.7.3 Fusibles...684.7.4 Luz piloto...684.7.5 Selector de posicin...694.7.6 Accesorios de montaje..694.8 Seleccin de la vlvula de control de nivle...704.9 Seleccin del quemador...714.9.1 Quemador del calefn..714.10 Funcionamiendo de la caldera....73
Control de nivel de lquido operado por flotador.Control de la presin del vaporPresostato.
CONTROL AUTOMTICO DE LA CALDERAControl automticoControl de nivel de lquidoControl de nivel accionado por flotador y bulbos de mercurio
5.CALIDAD DEL VAPOR
5.1 76
5.2 .765.2.1 775.2.2 785.2.2.1 795.2.3 .805.2.3.1 .805.2.3.2 ..825.2.3.3 .845.3 .855.4 ..85
5.5 ..88
Paleta de controlesPaleta de herramientasProgramacin en LabviewAdquisicin de datos en Labview..
Clculo de la calidad del vapor
Partes del LabviewPanel frontalDiagrama de bloquesBarra de herramientasPaletas de trabajoPaleta de funciones
UTILIZACIN DEL LABVIEW PARA EL CLCULO DE LA
Introduccin a Labview
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6.FUNCIONAMIENTO Y MANTENIMIENTO DEL EQUIPO
6.1 ..936.1.1 .936.1.1.1 Introduccin..936.1.1.2 Objetivos...936.1.1.3 Equipos y materiales.946.1.1.4 Esquema.946.1.1.5 Marco terico.946.1.1.6 Procedimiento...976.1.1.7 Clculos y resultados.986.1.1.8 Anlisis y discusin de resultados...996.1.1.9 Conclusiones y recomendaciones...996.1.1.10 Recomendaciones..996.1.2 Mantenimiento de la caldera...996.1.2.1 Tratamiento del lquido...996.1.2.2 Descripcin y frecuencia del mantenimiento.1016.1.2.3 Frecuencias de mantenimiento...1026.1.2.3.1 Mantenimeinto diario..1026.1.2.3.2 Mantenimiento semanal...1026.1.2.3.3 Mantenimeinto mensual..1026.1.2.3.4 Mantenimeinto trimestral.102
ELABORACIN DE UNA GUA DE LABORATORIO,
Gua del laboratorio de termodinmicaTema: Evaluacin de la calidad del vapor
. ANLISIS ECONMICO.7.1 Generalidades...1037.2
Costos directos..1037.2.1 Costo de materiales..1037.2.1.1 Control de nivel..1047.2.1.2 Automatizacin de la caldera..1057.2.1.3 Sistema de ductos...1067.2.1.4 Cmara de expansin.1077.2.1.5 Estructura metlica.1077.2.2 Costo mano de obra.1087.2.3 Costo equipos y herramientas.1087.2.4 Costo por transporte...109
7.3 Costos indirectos.1097.3.1 Criterio de ingeniera...1107.3.2 Imprevistos.1107.3.3 Utilidades...1107.4 Costos totales...110
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. CONCLUSIONES Y RECOMENDACIONES
8.1 Conclusiones..1118.2 Recomendaciones.. .112
REFERENCIAS BIBLIOGRFICAS
LINKOGRAFAANEXOSPLANOS
BIBLIOGRAFA
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TABLA PGINA
3.1 Clculo de la velocidad en el ducto de vapor...263.2 Dimetro de la camara de expansin..333.3 Longitud de la cmara de expansin...343.4 Hoja de cculo para perdidas de calor ductos...523.5 Iteraciones espesor de aislante.533,6 Hoja de cculo prdidas de calor cmara de expansin..553.7 Espesor del aislante en la cmara de expansin..566.1 Datos de la caldera..987.1 Control de nivel..1047.2 Control auntomtico...1057.3 Sistema de ductos.....1067.4 Cmara de expansin.1077.5 Estructura.1077.6 Mano de obra...1087.7 Equipos y herramientas....1087.8 Transporte..1097.9 Costos directos...109
7.10 Costos indirectos..1107.11 Costos totales.110
LISTA DE TABLAS
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FIGURA
2.1 Condensado en tuberia de vapor2.2 Trampa de vapor tipo flotador2.3 Separador de condensado2.4 Calorimetro de separacion2.5 Calorimetro de estrangulamiento2.6 Diagrama temperatura - entalpia2.7 Economisador2.8 Chimenea2.9 Sobre calentador
2.10 Quemador2.11 Hogar2.12 Condensador2.13 Bombas2.14 Caldera Acuotubular2.15 CalderaPirotubular3.1 Vlvulas..273.2 Vlvula de globo3.3 Vlvula de compuerta3.4 Vlvula esfrica3.5 Cmara de expansin......313.6 Espesor casco cilndrico3.7 Espesor casco elipsoidal3.8 Cabeza elipsoidal3.9 Paredes cilindricas con aislante
3.10 Radio del aislante - prdidas de calor tuberia3.11 Radio del aislante - prdidas de calor cmara3.12 Tubo 5 [in]3.13 Tapas cmara3.14 Cmara de expansin sin aislante3.15 Instrumentos cmara de expansin3.16 Montaje tubera4.1 Tablero de control4.2 McDonnell & Millar ITT. 150 4.3 McDonnell & Millar 644.4 Presstato4.5 Quemador a gas4.6 Vlvula de seguridad4.7 Vlvula de purga4.8 Contactor GMC-12
4.9 Rele4.10 Fusibles4.11 Luces piloto
LISTA DE FIGURAS
PGINA
..4.5
...6..7
...9...12
..14..14.15...16...16
..17.18.19...20
..29..30..31
.....38..39.41.42
..54.57...57...58...58
.59..59.60...61
..62...63
..64..65.66...67
.68..68..69
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4.13 Accesorios de montaje..704.14 Borneras....704.15 Instalacin de McDonnell..714.16 Esquema calefn....724.17 Quemador calefn.72
4.18 Tablero de control..734.19 Circuito de control.....744.20 Quemador de la caldera....745.1 Panel frontal.....775.2 Diagrama de bloques........785.3 Botones para ejecucin del programa..795.4 Botones para depuracin.......795.5 Formato de texto..795.6 Botones para ordenar objetos......805.7 Icono del VI.....80
5.8 Paleta de funciones..815.9 Paleta de controles...83
5.10 Paleta de herramientas..845.11 NI USB 6216....865.12 NI USB 6009..865.13 Programa para determinar la calidad del vapor..885.14 Tabla de ingreso de datos..895.15 Instrumentos.....895.16 Presin absoluta de la caldera.905.17 Tabla de datos de entalpia de la caldera.905.18 Tabla entalpia vapor recalentado...915.19 Calidad del vapor.925.20 Diagrama de bloques del programa.926.1 Disgrama S-T..956.2 Esquema del calorimetro de estrangulamiento.966.3 Vlvula de purga de la caldera.1006.4 Incrustaciones en tubos de fuego...100
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LISTA DE SMBOLOS Y ABREVIACIONES
A rea
ASA Asociacin Americana de Normas.
ASME Sociedad Americana de Ingenieros Mecnicos.
ASTM Sociedad Americana de Ensayo de Materiales.
AWWA Asociacin Americana de Obras Hidrulicas.
C.A. Margen de corrosin.
cm. Centmetros
Cp Calor especfico
k Coeficiente de conductividad trmica.
D Dimetro
DAQ Data adquisicin
Di Dimetro interno de la cabeza elipsoidal [in].
E Eficiencia de la junta.
GLP Gas licuado de propano
Gr Nmero de Grashof
h Altura de cabeza elipsoidal.
h0 Coeficiente de transferencia de calor por conveccin
h2 Entalpa total del vapor recalentado
hf Entalpa del lquido.
hfg Entalpa de vaporizacin del vapor saturado seco.
in. Pulgada
Kg kilogramo
Kcal. Kilo calora.
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L Longitud de la cmara
Lc Longitud caracterstica.
m. Metrosmm. Milmetros
mds Masa del vapor seco
mm Masa de la humedad separada del vapor seco.
o
m Flujo msico del vapor
Nu Nmero de Nusselt
Pr Nmero de Prandtl
PSI libra por cada pulgada cuadrada
trabajoP Presin de trabajo absoluta
mP Presin manomtrica
P d Presin de diseo
q Prdida de calor.
El calor sensible del vapor recalentado
r Radio
R Resistencia trmica
Ra Nmero de Rayleigh.
Re Nmero de Reynolds
S Esfuerzo del material
S1 Esfuerzo longitudinal
S2 Esfuerzo circunferencial
t Espesor
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tc Espesor cabeza elipsoidal
Tf Temperatura flmica
Ti Temperatura del vapor
T0 Temperatura ambiente
T2 Temperatura superficie del ducto
V Volumen total
_
V
Velocidad del vapor
VI Instrumentos Virtuales
x Calidad del vapor, expresada en fraccin decimal.
T Gradiente de temperatura
Densidad
Viscosidad dinmica
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LISTA DE ANEXOS.
ANEXO 1:Propiedades de los materiales.
ANEXO 2: Tipos de juntas soldadas.
ANEXO 3: Propiedades de los materiales, aplicacin.
ANEXO 4: Propiedades de los gases.
ANEXO 5: Tubera de acero al carbono.
ANEXO 6: Quemador del calefn.
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RESUMEN
Este trabajo consiste en el diseo de un equipo para evaluara la calidad del vapor en una
caldera, el cual se fundamenta en la expansin adiabtica irreversible.
Se disea y se selecciona los elementos del calormetro de estrangulacin, tales como
sistemas de ductos, vlvula de estrangulamiento, aislante trmico, cmara de expansin,
donde se evala la temperatura y presin, para con estos datos mediante las tablas de
vapor o diagrama de Mollier evaluar su calidad.
Al existir en el laboratorio una caldera se procede a su automatizacin, tomando en
cuanta los parmetros a controlar tales como, el control de nivel mediante el Mcdonnell
y la bomba de alimentacin, el control de la presin de trabajo con ayuda de un
presstato y la vlvula de seguridad. El control de llama es uno de los parmetros msdelicados en una caldera, por lo que se debe garantizar la presencia de la misma, para lo
cual, se selecciona el sistema de control del calefn por tener un sistema parecido con
las calderas industriales.
Los datos obtenidos en las pruebas, se transmiten desde los sensores a una PC, a travs
del desarrollo de un programa en Labview, con el cual se obtendr la calidad en forma
directa.
Finalmente se elabora una gua de laboratorio. Con esta gua el estudiante esta encapacidad de manipular el equipo y realizar prcticas de evaluacin del vapor hmedo.
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CAPTULO I
1. GENERALIDADES Y OBJETIVOS
1.1. Antecedentes.
El presente Trabajo de Tesis de Grado, determinado a diseo y construccin de un
calormetro de estrangulamiento, ha sido convenido para aportar al mejoramiento del
Laboratorio de Termodinmica de la Facultad de Mecnica, de sus servicios y prestaciones
que viabiliza, para respectivamente ejecutarlos en condiciones de calidad y precisin:
pruebas y experimentos que consoliden apropiadamente el desarrollo correlativo de los
conocimientos tericos impartidos.
El calormetro diseado y construido, consiste en un dispositivo tcnico, equipado
para establecer la calidad del vapor hmedo producido, a su vez, por un generador de
vapor o caldera.
1.2. Justificacin.
Mientras, tcnicamente la calidad del vapor es un valor a determinar, es el
calormetro, objeto de la Tesis de Grado ejecutada, el dispositivo justificado para
establecer los respectivos parmetros que conllevan a la evaluacin de esta. Se debe,
adems, destacar que existen en general varios mtodos de medicin de la denominada
calidad; pero ninguno que se considere simplificado.
El calormetro de estrangulamiento desarrollado, se fundamenta en la expansin
adiabtica irreversible del vapor, la misma que ocurre sin realizar trabajo externo; por lo
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que la energa del vapor (entalpa) se recupera al final del proceso. Las prdidas de calor
por conveccin deben reducirse al mnimo; para esto, los ductos que transportan el vapor
deben estar aislados trmicamente.
Debido a los altos costos de adquisicin del equipo en el mercado y, a su gran
utilidad para el Laboratorio de Termodinmica de la Facultad de Mecnica, fue como se
plante la realizacin de esta Tesis de Grado.
1.3. Objetivos.
Disear y construir un calormetro de estrangulamiento, para el laboratorio de
Termodinmica, de Ingeniera Mecnica.
Analizar el marco terico sobre la calidad del vapor y generadores de vapor.
Analizar los diferentes mtodos para la determinacin de la calidad del vapor.
Disear, calcular y construir los diferentes elementos del calormetro de
estrangulamiento.
Automatizar de la caldera.
Utilizar el programa LABVIEW para el clculo de la calidad del vapor.
Elaborar una gua de funcionamiento del equipo.
Evaluar costos de construccin del equipo. .
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CAPTULO II
2. MARCO TERICO: ANLISIS DEL VAPOR HMEDO Y LOSDIFERENTESMTODOS DE EVALUAR LA CALIDAD.TIPOS DEGENERADORES DE VAPOR.
Calidad del vapor [1].
La regin de saturacin se puede considerar como una mezcla de un lquido saturado
puro y un vapor saturado puro. La proporcin de vapor saturado, o sea la relacin de la
masa de vapor saturado con respecto a la masa total de una mezcla determinada en la
regin saturada, se llama calidad.
Los efectos de una baja calidad son particularmente devastadores para procesos
que tienen contacto directo con el vapor, tales como plantas de alimentos, hule y textiles.
El condensado que se produce se adhiere a la superficie del producto, pudiendo ste
resultar con muchos defectos.
En los intercambiadores de calor, son ejemplos tpicos del uso indirecto del vapor, en
tanto que su baja calidad disminuye la eficiencia en la transferencia de calor; lo cual, a su
vez, redunda en una cada de la productividad.
Otro de los inconvenientes, es el condensado arrastrado por el vapor, el cual provoca
fallas en dispositivos, tales como vlvulas reductoras de presin, vlvulas de control,
medidores de flujo y ductos.
2.1.1. Causas para una baja calidad del vapor [2].
Existen dos causas principales para que la calidad del vapor disminuya, stas son:
Baja calidad dentro de la caldera: Esto es usualmente el resultado de
fluctuaciones bruscas en la carga, causando que el lquido en la caldera quede
atrapada y transportada con el vapor.
Condensado: ste, que no es completamente removido de los ductos de vapor; y
que se produce por un mal aislamiento trmico.
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Por lo tanto, la calidad o ttulo del vapor es un parmetro muy importante a
determinar para un correcto funcionamiento de un generador de vapor.
2.1.2. Mtodos para mejorar la calidad del vapor.
Como se mencion anteriormente, una de las principales causas de una baja calidad
del vapor es el condensado que se produce en los ductos de vapor; el mismo que se genera
debido al gradiente trmico existente entre sus paredes interiores en contacto con el vapor.
El aislamiento trmico en las lneas de vapor es de gran ayuda para evitar que se forme el
condensado; pero, a pesar de la utilizacin del mismo, se seguir produciendo dicho
condensado, en una cantidad que debe eliminarse.
Figura 2.1: Condensado en tubera de vapor[2].
Existen equipos para disminuir el condensado en los ductos, tales como: las trampas
de vapor, y los separadores de condensado.
2.1.2.1. Trampas de vapor [3].
Es una vlvula automtica cuya misin es minimizar el condensado de los ductos de
vapor; adems, de prevenir prdidas de vapor.
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Figura 2.2: Trampa de vapor tipo flotador [3].
Son algunos los parmetros para poder seleccionar una trampa de vapor, as:
Presin nominal del vapor.
Caudal de condensado.
Diferencial de presin.
Tipo de conexin.
Tipo de material.
Como tipos de trampas de vapor, se dispone de:
Mecnicas.
Termodinmicas.
Termostticas.
2.1.2.1.1. Las mecnicas.
Que trabajan con la diferencia de densidad entre el vapor y el condensado y tienen un
flotador, el cual se abre para descargar el condensado que se ha acumulado.Cuando est cerrada dicha trampa, comienza nuevamente el ciclo llenndose de vapor para
luego descargar el condensado.
2.1.2.1.2.Las termodinmicas.
stas, operan por el principio de diferencia entre el flujo de vapor y del condensado.
Al entrar el vapor, ste llega con una velocidad mayor y el disco que usan como vlvula, se
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cierra; entonces, este disco se abre al presentarse la baja velocidad del condensado para
desalojarlo.
2.1.2.1.3 Las termostticas.
Que funcionan mediante un sensor de temperatura, el cual mide la variacin de sta
entre el vapor y el condensado. La trampa respectiva se abre, al llegar a un valor especfico
de temperatura para drenar el condensado.
2.1.2.2. Separador de condensado.
Los separadores de condensado, retiran las pequeas gotas de lquido que circulan
junto con el vapor o aire comprimido en forma de niebla en las lneas de distribucin. Se
recomienda su instalacin antes de vlvulas de control para evitar la erosin de su asiento y
vstago o en equipos que requieran vapor seco.
Figura 2.3: Separador de condensado [3].
2.2 Determinacin de la calidad del vapor.
La calidad, no se puede determinar en forma directa. Hay varios mtodos para
establecerla; sin embargo, no existe ninguno que pueda considerarse simple. Para tal
objeto, se utiliza calormetros especiales. Siendo los ms comunes, los siguientes:
Calormetro de separacin.
Calormetro de estrangulacin.
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2.2.1 Calormetro de separacin.
Es, el que puede considerrsele como el ms simple; pues,se basa en separar el
lquido del vapor hmedo que entra en el aparato. En este caso, es necesario medir la masa
del lquido y la masa del vapor seco que sale del calormetro luego de ser condensada. Los
calormetros del tipo de separacin, se utilizan para determinar el ttulo de vapores muy
hmedos y de baja presin.
Figura 2.4: Calormetro de separacin.
2.2.1.1 Sobre su funcionamiento.
El calormetro de separacin antes indicado, se aplica en el proceso de flujo que
permite cambiar la direccin del vapor hmedo de entrada a travs de una serie de ngulos
obtusos. Mientras el vapor viaja a travs de estos ngulos, por gravedad las gotas de
lquido generadas, son impedidas de seguir los cambios en direccin del vapor;
provocndose, por tanto, la cada del condensado dentro de la cmara de coleccin.
Para calcular la calidad, la tasa de flujo en masa de vapor se divide entre las tasas de
flujo en masa de las corrientes de lquido y vapor. Si la unidad generadora de vapor opera
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bajo condiciones de flujo continuo, como generalmente lo hace, la calidad, puede hallarse
dividiendo la tasa de vapor en el separador por la tasa de lquido entrante.
La expresin del ttulo en forma de fraccin decimal resultante, es:
mds
ds
mm
mx
+=
(2.1)
En donde:
mds= Peso del vapor seco que pasa por el calormetro, en Kg.
mm = Peso de la humedad separada de mdsde kg del vapor seco, en Kg.
X = Calidad del vapor.
2.2.1.2. Sus desventajas.
Los calormetros separadores no pueden separar todo el lquido; y, un poco se va en el
vapor seco.
Se utiliza, entonces, el tipo de calormetro descrito; de separacin, para determinar
grandes contenidos de lquido hastax=0,5.
2.2.2. Calormetro de estrangulamiento.
ste, es un instrumento que permite medir la calidad del vapor en forma indirecta; si
el vapor se estrangula y a continuacin se expansiona sin realizar trabajo o sin prdida de
calor, la energa total del vapor permanece invariable. Las prdidas por radiacin deben
reducirse al mnimo y, para ello, el calormetro y los ductos de vapor deben estar
completamente aislados trmicamente.
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Figura 2.5: Calormetro de estrangulamiento.
2.2.2.1. Funcionamiento.
Aqu, mientras el vapor entra por la tobera de toma de muestras, ste se estrangula al
pasar por la vlvula situada a la entrada del calormetro. A continuacin entra el vapor a la
cmara de expansin, escapando finalmente el mismo a la atmosfera.
Cuando el vapor pasa por la vlvula de estrangulamiento, la entalpia disminuye y la
energa cintica aumenta; pero, luego al entrar en la cmara de expansin la energa
cintica es disipada y la entalpia inicial es obtenida nuevamente sin realizar trabajo; por lo
tanto la entalpia es la misma antes y despus del estrangulamiento.
El calormetro mencionado, funciona propiciado por el respectivo proceso
adiabtico; ya que no debe existir transferencia de calor con el medio que lo rodea, paraque los valores de la calidad sean confiables; por lo tanto el calormetro y los ductos de
muestra de vapor, deben estar completamente aislados trmicamente.
El calormetro de estrangulamiento se utiliza para contenidos de humedad bajos,
aproximadamente entrex=0,95 y x=1,0
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2.2.2.2. Proceso de estrangulamiento.
Es un proceso, en el cual el fluido se expande sin producirse trabajo a entalpa
constante, que obedece a la ecuacin denominada Expansin de Joule-Thompson:
h1=h2. ste proceso, se realiza mediante vlvulas que estrangulan el vapor, determinadoque ste adquiera una velocidad alta.
Puede establecerse la relacin siguiente: la entalpa total del vapor saturado hmedo
antes de la expansinh1 = (hf+ xhfg) es igual a la entalpa total h2del vapor recalentado
despus de la expansin.
Por lo tanto:
h1 = (hf+ xhfg) = h2 (2.2)
Despejando la calidad se tiene:
fg
f2
h
hhx
= (2.3)
Dnde:
x = calidad del vapor, expresada en fraccin decimal.
h2= entalpa total del vapor recalentado a la presin absoluta del calormetro, en kcal porKg.
hf = entalpa del lquido a la presin inicial, en kcal por Kg.
hfg= entalpa de vaporizacin del vapor saturado seco a la presin absoluta inicial en
kcal por Kg.
Los valores de hfy hfg,son obtenidos de las tablas respectivas de vapor, en funcin de
la presin absoluta dela caldera; mientras que el valor de la entalpia h2se lo obtiene con los
datos de presin absoluta y temperatura en la cmara de expansin, luego del
estrangulamiento.
Se puede determinar las entalpias utilizando las tablas de vapor o el diagrama de
Mollier.
Tambin es estimable el valor de la entalpah2mediante el empleo del calor
especfico del vapor a presin constante. Para recalentar el vapor desde el punto de
saturacin, se requiere un calor .En este caso, se debe considerar al vapor recalentado
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Zona de vapor hmedo: tambin conocida como la zona de dos fases, representa
todos los valores del vapor en su condicin de hmedo. Sus lmites son: la lnea de
lquido saturado y la lnea del vapor saturado.
Lnea de vapor saturado seco: La lnea de vapor seco saturado muestra el vapor a
su temperatura de saturacin, y representa las propiedades finitas relacionadas
nicamente con las condiciones de vapor seco saturado.
Zona de vapor recalentado: Que representa el vapor a una temperatura superior a
su temperatura de saturacin. Si se calienta el vapor saturado a una presin
constante, se producir vapor recalentado.
Figura 2.6: Diagrama temperatura entalpia [5].
2.2.2.4. Diagrama de Mollier.
El diagrama de Mollier, es una grfica en la cual estn representadas las propiedades
de un fluido, en la que la entalpia constituye una de las coordenadas; adems, de contener
las lneas correspondientes al lquido y vapor saturados, el diagrama posee trazos para
representar: la presin, la temperatura, entropa, volumen especfico y, la calidad del
fluido.
2.3.Generadores de vapor [6].
Las calderas o generadores de vapor, son instalaciones industriales que, aplicando el
calor de un combustible slido, lquido o gaseoso, vaporizan el lquido para aplicaciones
en la produccin.
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Funcionan, mediante la transferencia de calor producida generalmente al quemarse
un combustible; mientras el lquido contenido circule dentro de un recipiente metlico. En
toda caldera se distinguen dos zonas importantes, las cuales son:
Zona de liberacin de calor o cmara de combustin: que es el lugar, donde se
quema el combustible. Puede ser interior o exterior, con respecto al recipiente
metlico.
Interior: cuando la cmara de combustin se encuentra dentro del recipiente
metlico o rodeado de paredes refrigeradas por lquido.
Exterior: si la cmara de combustin es constituida fuera del recipiente
metlico. sta, se halla parcialmente recubierta o sin paredes refrigeradas por
lquido.
Zona de tubos: es la zona donde los productos de la combustin (gases o humos)
transfieren calor al lquido, principalmente, por conveccin (gases lquido); y
dispuesta, a su vez, por tubos, dentro de los cuales pueden circular los humos o el
lquido.
2.3.1. Partes de un generador de vapor.
Las principales partes que componen un generador de vapor, son las siguientes:
Economizador
Chimenea.
Sobre calentador.
Quemador.
Hogar
Condensadores.
Bombas y tanques de alimentacin.
2.3.1.1. Economizador
Es un dispositivo mecnico de transferencia de calor, que calienta un fluido hasta su
punto de ebullicin; sin pasar de ste, recupera el calor sensible de los gases de salida de
una caldera, propiciando incremento de la temperatura del lquido de alimentacin de la
caldera mencionada. Aprovechando el calor remanente de los gases de combustin, se
reduce drsticamente los costos de combustible, recuperando calor, y mejorando el
rendimiento de la caldera.
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Figura 2.7: Economizador [6].
2.3.1.2. Chimenea
Determinada a suministrar una va de escape para los productos de la combustin y
el calor residual hacia la atmosfera; a travs de ella se produce la mayor prdida de calor.
Figura 2.8: Chimenea [6].
2.3.1.3. Sobre calentador.
Siendo un dispositivo vaporizador, es bsicamente un intercambiador de calor gases-
vapor, diseado tomando en cuenta las particularidades de su trabajo con gases de
combustin. El mismo, adems, persigue la obtencin de vapor a alta temperatura, que no
sufra problemas de condensacin en su camino desde la caldera hasta su utilizacin final.
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Figura 2.9: Sobre calentador [16].
2.3.1.4. Quemador [13].
El propsito principal del quemador, es mezclar y dirigir el flujo de combustible y aire,
de tal manera que se asegure el encendido rpido y la combustin completa. En los
quemadores, se conoce como aire primario, a aquel que se mezcla inicialmente con el
combustible para obtener un encendido rpido y actuar como un medio de transporte del
combustible. La porcin restante o aire secundario, se introduce a travs de registros en la
caja de viento.
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Figura 2.10: Quemador [13].
2.3.1.5. Hogar.
Es la cmara, donde se efecta la combustin; confina el producto de la combustin
y puede resistir las altas temperaturas que se presentan y las presiones que se utilizan. Sus
dimensiones y geometra, se adaptan a: la velocidad de liberacin del calor, el tipo de
combustible y al mtodo de combustin; de tal manera, que se haga lo posible por tener
una combustin completa y se proporcione un medio apropiado para eliminar la ceniza.
Figura 2.11: Hogar.
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2.3.1.6. Condensador.
Es, un intercambiador de calor entre fluidos; de modo que. Mientras uno de ellos se
enfra, pasando de estado gaseoso a estado lquido, el otro se calienta. Se fabrica en
tamaos y disposiciones diversas, para ser empleados en numerosos procesos trmicos.
Figura 2.12: Condensador.
2.3.1.7. Bombas y tanques de almacenamiento.
Estn diseadas para suministrar lquido a las calderas. El lquido mencionado, se puede
proveer directamente del tanque de almacenamiento o del condensado producido por la
caldera. Estas bombas son normalmente de alta presin; las calderas al disponer de un
controlador de nivel, activan dichas bombas de alimentacin. Tanto los tanques
atmosfricos como los presurizados pueden ser de acero negro o de acero inoxidable.
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Figura 2.13: Bombas.
2.4. Clasificacin de los generadores de vapor [6].
Los generadores de vapor pueden ser clasificados de varias maneras: de acuerdo a su
presin de trabajo, a su produccin de vapor, al combustible utilizado y, a la circulacin de
los fluidos dentro de los tubos de la caldera. Pero, en su forma ms general, los
generadores de vapor se clasifican en los tipos siguientes:
Acuotubulares.
Pirotubulares.
2.4.1. Acuotubulares.
Son aquellos, en los que el fluido de trabajo se desplaza a travs de tubos durante sucalentamiento. Son generadores de alta eficiencia, pero de elevado costo; deben
alimentarse con lquido de gran pureza; pueden ser puestos en marcha rpidamente;
trabajan a alta presin y temperatura; tienen una gran capacidad de generacin de vapor.
Adems, pueden estar dotados de otros elementos de intercambio de calor como: sobre
calentador, recalentador, economizador, etc.
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Estas calderas, constan de un hogar, configurado por ductos para lquido, tubos y
refractarios o, solamente refractarios. En el mismo, se produce la combustin
constituyendo la zona de radiacin de la caldera.
Desde dicho hogar, los gases calientes resultantes de la combustin, son conducidos
a travs del circuito de la caldera, configurado, a su vez, por paneles de tubos y
constituyendo la zona de conveccin de la caldera. Finalmente, los gases son enviados a la
atmsfera a travs de la chimenea.
Figura 2.14: Caldera Acuotubular [6].
2.4.2. Pirotubulares.
En este tipo, el fluido en estado lquido se encuentra en un recipiente, y es atravesado
por tubos por los cuales circulan gases a alta temperatura, producto del respectivo proceso
de combustin. El lquido se evapora al contacto con los tubos calientes, a consecuencia de
la circulacin de los gases de combustin.
Son calderas muy simples en su diseo; pues, no exigen mucha pureza en el lquido
de alimentacin; son de bajo costo, aunque de gran tamao y peso; y necesitan mayor
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tiempo que las acuotubulares para entrar en funcionamiento. Pero, como advertencia: no se
las puede emplear en altas presiones.
El combustible se quema en el hogar, en donde tiene lugar la transmisin de calor
por radiacin; los gases resultantes circulan a travs de los tubos, que constituyen el haz
tubular de la caldera y, donde se efecta el intercambio de calor por conduccin y
conveccin. Segn sean una o varias las veces que los gases pasan a travs del haz tubular,
se dispone de calderas de uno o de varios pasos. En el caso de calderas de varios pasos, en
cada uno de stos, los humos solo atraviesan un determinado nmero de tubos; algo que se
logra mediante las denominadas cmaras de humos. Una vez realizado el intercambio
trmico, los humos son expulsados al exterior a travs de la chimenea.
Figura 2.15: Caldera Pirotubular.
2.4.3. Aplicaciones de los generadores de vapor.
Debido a las amplias aplicaciones que tiene el vapor, las calderas son muy utilizadas
en la industria; entre sus aplicaciones se puede indicar las siguientes:
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Enesterilizacin, pues es comn encontrarlos en hospitales, donde se utiliza vapor
para esterilizar instrumentos mdicos; tambin, en los comedores industriales,
generar vapor, til en esterilizar cubiertos; as como para la elaboracin de
alimentos en marmitas. Para calentar otros fluidos; por ejemplo, en la industria petrolera si se calienta
petrleos pesados para mejorar su fluidez: el vapor es muy utilizado.
En la generacin de electricidad. Las calderas son componentes fundamentales de
las centrales termoelctricas. Aqu, entonces el uso de vapor, es clave.
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CAPTULO III
3. DISEO Y CONSTRUCCIN DEL CALORMETRO DEESTRANGULAMIENTO.
Seleccin de los ductos del equipo.
Tuberas de vapor. [7]
Los sistemas de vapor son vas de transporte de energa, existen prdidas de carga en
las tuberas debido a la friccin entre sus paredes y el vapor, as como prdidas de calor
debido a la transferencia del vapor con el medio que lo rodea.
Para que un sistema de tuberas funcione eficientemente, las prdidas de carga y decalor deben ser las mnimas, de manera que se pueda obtener datos de presin y
temperatura ms confiables.
Una elevada velocidad del vapor ocasiona prdidas de carga, erosin y desgaste en la
tubera, por otra parte una tubera sobre diseada no tendr problemas de prdida de carga
y suministrar la cantidad de vapor requerido.
Clasificacin de las tuberas.
Los sistemas de tuberas se pueden clasificar de la siguiente manera:
Por las condiciones de servicio.
Tuberas para vapor saturado o recalentado.
Tuberas para agua condensada, de alimentacin, fra o caliente.
Tuberas para aceite lubricante, combustible.
Tuberas para aire comprimido.
Tuberas para fluidos refrigerantes.
Tuberas para calefaccin.
Tuberas para petrleo.
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Por el fluido que transportan.
Vapor.
Agua caliente, fra.
Aceite. Aire.
Gas.
Normas para tuberas.
Las normas internacionales que regulan el dimensionamiento de las tuberas as
como de sus accesorios y materiales, son las siguientes.
ASTM: Sociedad Americana de Ensayo de Materiales.
ASA: Asociacin Americana de Normas.
ASME: Sociedad Americana de Ingenieros Mecnicos.
AWWA: Asociacin Americana de Obras Hidrulicas.
Diseo de la tubera.
El diseo de tuberas se puede realizar siguiendo dos mtodos:
Mediante la velocidad del vapor y.
Por las prdidas de carga.
Diseo de tuberas mediante la velocidad del vapor.
Es un diseo aplicado en tramos cortos, con un mximo de 20m, con esta longitud no
se consideran grandes prdidas de carga, las velocidades recomendadas del vapor son las
siguientes:
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Vapor saturado: de 20 a 30 m/s.
Vapor recalentado: de 30 a 40 m/s.
En tramos cortos de tubera se recomienda una velocidad del vapor de 10 m/s con el
fin de evitar prdidas de carga.
Clculo del dimetro de la tubera.
Para calcular el dimetro de la tubera, se utiliza la ecuacin de continuidad:
AVmo
= (3.1)
Dnde:
o
m : Flujo msico del vapor
: Densidad
V: Velocidad del vapor
A : rea
Para el clculo de la tubera de vapor del calormetro de estrangulamiento se cuenta
con los siguientes datos:
Flujo msico.
Se utiliza un flujo de vapor de:
=
=
s
Kg
h
kgmo
00417,015
Presin de trabajo del caldero.
La presin de trabajo del caldero es [ ]psig45 , cuyo valor se justificar en el
siguiente captulo; presin local.
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[ ]psiPatm 55,10= , presin atmosfrica en Riobamba.
La presin absoluta de trabajo ser entonces:
atmmtrabajo PPP += (3.2)
55,1045 +=trabajoP
[ ]psiaPtrabajo 55,55=
Siendo:
trabajoP : Presin de trabajo absoluta
mP : Presin manomtrica
Volumen especifico del vapor.
Con psiaPtrabajo 55,55= , en las tablas de vapor se determina el volumen especfico del
vapor.
=
=
Kg
m
lb
ftv
33
4817,07149,7
Se tiene que:
v
1= (3.3)
=
3076.2
mKg
4
2DA = (3.4)
Para un ducto de in4
1cedula 40, se calcula la velocidad:
( )6647,0076,200417,0
=
V
-
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=
s
m211,30V
A travs de una hoja de clculo (EXCEL), se obtiene diferentes velocidades, paradistintos ductos cdula 40.
Tabla 3.1: CLCULO DE LA VELOCIDAD EN EL DUCTO DE VAPOR.
Para evitar prdidas de carga, y por ser comercial, se selecciona un ducto de [ ]in2
1,
con una velocidad de flujo igual a
s
m243,10
.
Seleccin de la vlvula de estrangulamiento.
Cuando un fluido se expande desde una regin de alta presin hasta otra de baja
presin generalmente se hace trabajo, o se producen cambios en la energa potencial y
cintica. Cuando no ocurren tales efectos se dice entonces que el proceso es de
estrangulamiento. Por lo general se realiza mediante vlvulas que estrangulan el fluido,
pues este al adquirir una velocidadalta se disipa en turbulencia, o pueden reducirse a cero
mediante la correcta seleccin del tubo.
Una vlvula de estrangulamiento es simplemente una restriccin al flujo, se reduce la
presin, no realiza trabajo por lo tanto la transferencia de calor es mnima. Si se elige el
volumen de control suficientemente alejado de dicha restriccin, el cambio de energa
cintica resulta pequeo.
F 15
55,55
F E D
40 (/) (/) () () (/)
0,00417 0,48201 0,0092 6,64761E05 30,21198571
0,00417 0,48201 0,0125 0,000122718 16,36571181
0,00417 0,48201 0,0158 0,000196067 10,24332026
0,00417 0,48201 0,021 0,000346361 5,798509004
1 0,00417 0,48201 0,0266 0,000555716 3,614029157
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Vlvulas industriales. [8]
Son vlvulas industriales, el tipo de vlvula que como elemento mecnico se emplea
para regular, permitir o impedir el paso de un fluido a travs de una instalacin industrial o
mquina de cualquier tipo.
Componentes de una vlvula industrial.
Las vlvulas industrialesestn compuestas de los siguientes elementos:
Cuerpo:Es la parte a travs de la cul circula el fluido.
Obturador: Es el elemento que hace que la seccin de paso vare, regulando el
caudal y por tanto la prdida de presin. Accionamiento:Es la parte de la vlvula que hace de motor para que el obturador
se site en una posicin concreta. Puede ser motorizado, mecnico, neumtico,
manual o electromagntico.
Cierre:Une el cuerpo con el accionamiento. Hace que la cavidad del cuerpo y del
obturador donde hay fluido sea estanco y no fugue.
Vstago:Es el eje que transmite la fuerza del accionamiento al obturador para que
este ltimo se posicione.
Figura 3.1: Vlvulas.
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Clasificacin de las vlvulas industriales.
Las vlvulas industriales tienen diversos usos por lo tanto se pueden encontrar de
distintos tipos segn sea el requerimiento, las ms importantes son:
Vlvula de globo.
Vlvula de compuerta.
Vlvula de esfrica.
Vlvula de globo.
La vlvula de globo es de vueltas mltiples, en la cual el cierre se logra por medio de
un disco o tapn que sierra o corta el paso del fluido en un asiento que suele estar paralelo
con la circulacin en la tubera.
Esta vlvula se recomienda para accionamiento frecuente, estrangulacin o
regulacin, cuando es aceptable cierta resistencia a la circulacin.
Entre sus ventajas podemos encontrar:
Estrangulacin eficiente con estiramiento o erosin mnimos del disco o asiento.
Carrera corta del disco y pocas vueltas para accionarlas, lo cual reduce el tiempo y
desgaste en el vstago y en el bonete.
Control preciso en la circulacin.
Una de sus desventajas en comparacin con los otros tipos de vlvulas es su elevado
costo, y un incremento en la cada de presin, puede estar construida de diferentes
materiales como, bronce, hierro, hierro fundido, acero forjado, Monel, acero inoxidable,
plsticos.
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Figura 3.2: Vlvula de globo.
Vlvula de compuerta.
Esta vlvula efecta su cierre con un disco vertical plano, que se mueve
verticalmente al flujo del fluido. Por su disposicin es adecuada generalmente para el
control todo o nada, ya que en posiciones intermedias tiende a bloquearse. Tiene la ventajade presentar muy poca resistencia al flujo del fluido cuando est en posicin de apertura
total.
Se las utiliza en servicio con apertura total, sin estrangulacin, para uso poco
frecuente, resistencia mnima a la circulacin, en pocas cantidades de fluido o liquido
atrapado en la tubera.
Entre sus ventajas se pueden mencionar:
Alta capacidad.
Cierre hermtico.
Bajo costo.
Diseo y funcionamiento sencillos.
Poca resistencia a la circulacin.
Entre sus desventajas se tiene:
Control deficiente de la circulacin.
Se requiere mucha fuerza para accionarla.
Produce cavitacin con baja cada de presin.
Debe estar abierta o cerrada por completo.
La posicin para estrangulacin producir erosin del asiento y del disco.
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Figura 3.3: Vlvula de compuerta.
Vlvula Esfrica.
Las vlvulas esfricas son de41 de vuelta, en las cuales una esfera taladrada gira
entre asientos elsticos, lo cual permite la circulacin directa en la posicin abierta y corta
el paso cuando se gira 90.
Estas vlvulas se utilizan para servicio de conduccin y corte, sin estrangulacin, cuando
se requiere apertura rpida, en temperaturas moderadas, cuando se necesita resistencia
mnima a la circulacin.
Entre sus ventajas estn:
Bajo costo.
Alta capacidad.
Corte bidireccional.
Circulacin en lnea recta.
Pocas fugas.
Se limpia por si sola.
Poco mantenimiento.
No requiere lubricacin.
Tamao compacto.
Sus principales desventajas son:
Caractersticas deficientes para estrangulacin.
Alta torsin para accionarla. Susceptible al desgaste de sellos o empaquetaduras.
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Propensa a la cavitacin.
Figura 3.4: Vlvula de esfrica.
El objetivo de la vlvula, en la presente tesis, es el de obtener un proceso de
expansin adiabtica, en el cual toda la energa se disipa en forma de calor irreversible y
sin realizar trabajo externo, es el denominado proceso de estrangulamiento.
Analizando las caractersticas, ventajas y desventajas de diferentes vlvulas, se
selecciona la vlvula de globo.
Luego de la expansin adiabtica,el estado del vapor al final del proceso es
recalentado, en estas condiciones el vapor pasa a una cmara donde se puede evaluar supresin y su temperatura.Si la salida de esta cmara es a la atmosfera, la presin final ser
la atmosfrica local. Los cambios de velocidad son despreciables.
Figura 3.5: Cmara de expansin
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Dimensionamiento de la cmara de expansin.
Para dimensionar la cmara de expansin se utiliza la ecuacin de continuidad,
igualando el flujo de masa en el ducto seleccionado (punto 1) con el de la cmara (punto
2).
21
oo
mm = (3.5)
222111
= VAVA (3.6)
Dnde:
= 31 0755,2 m
Kg
[ ]21 000196,0 mA =
=
s
mV 243,101
=
323462,1
m
Kg
=
smV 52 (Velocidad tentativa)
( )( )( )53462,1
000196,0243,100755,22 =A
22 000619,0 mA =
Entonces:[ ] [ ]incmD 1053,18075,22 ==
Del volumen especfico:
o
mVv = (3.7)
V: Volumen total de la cmara de expansin
[ ]30031,0 mV = LAV 2= (3.8)
-
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[ ]mL
L
0034,5
000619,0
031,0
=
=
En la primera iteracin, se puede observar que la cmara de expansin tiene las
siguientes medidas:
[ ]
[ ]mL
mD
0034,5
028,0
=
=
Estas medidas al no guardar una proporcin son descartadas, por lo cual se procede a
una nueva iteracin dando un nuevo valor de la velocidad del vapor en la cmara.
A travs de una hoja de clculo (EXCEL), se obtiene diferentes dimetros, para
distintas velocidades del flujo:
Tabla 3.2: DIMETRO DE LA CMARA DE EXPANSIN.
De igual forma, se obtiene diferentes longitudes para distintos dimetros:
1 1 D 1 2 D 2 2 D 2 D 2
(/) (2) (/3) (/) (/3) (2) () ()
1 I 10,243 0,000196 2,0755 5 1,3462 0,000619 2,8075 1,1053
2 I 10,243 0,000196 2,0755 4 1,3462 0,000774 3,1389 1,2358
3 I 10,243 0,000196 2,0755 3 1,3462 0,001032 3,6245 1,4269
4 I 10,243 0,000196 2,0755 2 1,3462 0,001548 4,4390 1,7476
5 I 10,243 0,000196 2,0755 1 1,3462 0,003095 6,2777 2,47156 I 10,243 0,000196 2,0755 0,5 1,3462 0,006191 8,8781 3,4953
7 I 10,243 0,000196 2,0755 0,35 1,3462 0,008844 10,6113 4,1777
8 I 10,243 0,000196 2,0755 0,25 1,3462 0,012381 12,5555 4,9431
9 I 10,243 0,000196 2,0755 0,15 1,3462 0,020635 16,2090 6,3815
10 I 10,243 0,000196 2,0755 0,1 1,3462 0,030953 19,8519 7,8157
-
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Tabla 3.3: LONGITUD DE LA CMARA DE EXPANSIN.
Luego de realizar 10 iteraciones, se selecciona las medidas que tienen una proporcin
adecuada para la cmara de expansin:[ ]
[ ]inL
inD
84,9
94,4
=
=
Diseo mecnico de la cmara de expansin. [9]
Con los datos de dimetro y longitud, se diseala cmara, para lo cual se basa en el
clculo de recipientes a presin de las normas ASME seccin VIII divisin II.
Los recipientes a presin estn sometidos a diversas cargas, que causan esfuerzos dediferentes intensidades en los componentes del recipiente, el tipo e intensidad de los
esfuerzos es una funcin de la naturaleza de las cargas, o de la geometra del recipiente y
su construccin.
Cargas.
Un recipiente a presin puede estar sometido a las siguientes cargas:
Presin interna o externa Peso del recipiente y su contenido
Reacciones estticas del equipo auxiliar.
Presin del viento y fuerzas ssmicas.
Reacciones por impacto debido a choque hidrulico.
Gradientes de temperatura.
D 2
() (2) (3) () () ()
1 I 0,02807 0,00062 0,00310 5,0034 500,339 196,984
2 I 0,03139 0,00077 0,00310 4,0027 400,271 157,587
3 I 0,03624 0,00103 0,00310 3,0020 300,203 118,190
4 I 0,04439 0,00155 0,00310 2,0014 200,135 78,793
5 I 0,06278 0,00310 0,00310 1,0007 100,068 39,397
6 I 0,08878 0,00619 0,00310 0,5003 50,034 19,698
7 I 0,10611 0,00884 0,00310 0,3502 35,024 13,789
8 I 0,12555 0,01238 0,00310 0,2502 25,017 9,849
9 I 0,16209 0,02064 0,00310 0,1501 15,010 5,910
10 I 0,19852 0,03095 0,00310 0,1001 10,007 3,940
-
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Esfuerzos.
Se pueden presentar diferentes esfuerzos en un recipiente a presin, tales como: Esfuerzo a la tensin.
Esfuerzo longitudinal o a la compresin.
Esfuerzo producidos por la combinacin de sismos o de la presin del viento con
otras cargas.
Esfuerzo primario general de membrana inducido por cualquier combinacin de
cargas.
Esfuerzos en cascos cilndricos.
La presin uniforme, interna o externa, induce en la costura longitudinal un esfuerzo
unitario igual al doble de la que obra en la costura circunferencial, por la geometra misma
del cilindro.
Cuando otras fuerzas, viento, ssmicas, etc., no son factores importantes, un
recipiente sujeto a presin externa, debe disearse para resistir solo la deformacincircunferencia, las normas establecen el mtodo de diseo para llenar tal requisito. Cuando
acten adems otras cargas, la combinacin de las mismas puede ser la que rija, y podr
requerirse una placa de mayor espesor que el necesario para resistir nicamente la
deformacin circunferencial.
El esfuerzo a la compresin debido a la presin externa y el esfuerzo a la presin
interna se determinan mediante las siguientes frmulas.
Junta circunferencial.
t4
PDS1 = (3.9)
-
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Junta longitudinal.
t2
PDS1 =
(3.10)
Dnde:D = Dimetro medio del recipiente. [ ]in .P = Presin interna o externa
2in
lb .
S1 = Esfuerzo longitudinal
2in
lb .
S2 = Esfuerzo circunferencial
2in
lb .
t = espesor del casco, sin margen por corrosin [ ]in .
Presin interna.
Para disear un recipiente a presin sometido a presin interna, se debe conocer los
siguientes conceptos.
Presin de operacin.
Es la presin que se requiere en el proceso y del que forma parte el recipiente, a la
cual este trabaja normalmente.
Presin de diseo.
Es la presin que se emplea para disear el recipiente. Se recomienda disear un
recipiente y sus componentes para una presin mayor de la de operacin. Este requisito se
satisface utilizando una presin de diseo de 30 psi o 10 % ms de la presin de trabajo, la
que sea mayor.
Tambin debe tomarse en consideracin la presin del fluido y de cualquier otra
sustancia contenida en el recipiente.
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Diseo de la cmara de expansin.
A continuacin se presentan las ecuaciones que se emplean para el clculo del
espesor de pared requerido y la presin mxima de trabajo para los tipos de casco y decabeza de uso msfrecuente. Las ecuaciones para casco cilndrico se dan para la costura
longitudinal, ya que es la que rige generalmente.
El esfuerzo de la costura circunferencial rige solamente cuando la eficiencia de la
junta circunferencial es menor que la mitad que la eficiencia de la junta longitudinal, o
cuando adems de la presin interna, hay cargas adicionales como el viento que produce
flexin o tensin longitudinal. La razn de esto es que el esfuerzo que se origina en la
costura circunferencial es igual a la mitad del que se origina en la costura longitudinal.
De acuerdo con esto las frmulas para la costura circunferencial son:
Par el espesor de pared del casco:
d
d
P0,6-ES
RPt= (3.11)
Figura 3.6: Espesor casco cilndrico.
Para la presin de diseo:
t0,6R
tESPd
+= (3.12)
Para cabeza elipsoidal:
d
dc P0,2-E2S
DPt = (3.13)
-
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Se selecciona del ANEXO 3 una placa de acero SA-515 grado C, para recipientes a
presin servicios a temperatura media y alta.
En la tabla 3.4 se selecciona el esfuerzo del material a una temperatura en el rango de
[ ]Ca 5,3150 : [ ]psiS 15000= La eficiencia de la junta se selecciona del ANEXO 2.
E = 0,6, para una junta a tope de un solo cordn sin tira de respaldo, no examinada.
Se procede al clculo del espesor de pared del casco.
( )( ) ( )85,550,60,615000
47,285,55t
=
t = [ ]in0236,0 .A este valor de espesor de casco, se suma un margen de corrosin de [ ]in125,0 .
t = [ ]in148,0 = [ ]in75,3 .
Se determinan ahora, los esfuerzos longitudinal y circunferencial de la cmara de
expansin.
Para el esfuerzo longitudinal se reemplazan los datos en la ecuacin (3.10), se tiene:
( )
( )0,1482
088,585,55S2 =
S2= [ ]psi5,1470 .
El del esfuerzo circunferencial, se calcula con la ecuacin (3.9), obteniendo:
( )( )148,04
5,08885,55S2 =
S1= [ ]psi26,735 .
Para determinar el espesor de la cabeza elipsoidal del casco se aplica la ecuacin (3.13)
( )( ) ( ) ( )85,550,20,6150002
94,485,55tc
=
t = [ ]in0234,0 .
-
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Agregndole el margen de corrosin se tiene:
t = [ ]in1484,0 = [ ]m76,3 .
Para determinar la altura de la cabeza elipsoidal, se utiliza la siguiente ecuacin:
4Dh i= (3.14)
h = Altura de cabeza elipsoidal [in].
Di= Dimetro interno de la cabeza elipsoidal [in].
4
4,94h =
h = [ ]in235,1 .
Figura 3.8: Cabeza elipsoidal.
Seleccin del aislamiento trmico.
Las prdidas de calor por conveccin deben reducirse al mnimo, por lo que, los
elementos que transportan el vapor deben estar aislados trmicamente.
Conduccin de calor en paredes cilndricas.
Esta teora se aplica en el clculo de la cantidad del calor que se pierde en tuberas
aisladas.
-
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Figura 3.9: Paredes cilndricas con aislante.
La prdida del calor depender del espesor del aslate que se utilice en la tubera,
est perdida se la evala con la ecuacin Fourier:
R
TTq 0i
= (3.15)
Dnde:
q = Es el calor que se pierde en la tubera.
Ti = Temperatura del vapor.
To= Temperatura del ambiente.
R = Circuito trmico equivalente, por conveccin y conduccin.
En el circuito trmico equivalente se encuentran tanto las resistencias trmicas de
conveccin como las de conduccin.
Resistencia trmica por conveccin desde el fluido a Ti, hasta la superficie de la
pared a T1,A1 = 2..ri.L
ii1 Ah
1R = (3.16)
Resistencia trmica por conduccin, en la pared cilndrica de espesor r1 ri, desde T1a T2.
-
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Lk2
r
rln
R1
i
1
2
= (3.17)
Resistencia trmica por conduccin en la pared cilndrica (aislante) de espesor r0r1desde T2 a T3.
Lk2
r
rln
R2
1
0
3
= (3.18)
Resistencia trmica por conveccin desde la superficie de la pared a T3, hasta A0=2..r0.L.
oo1 Ah
1R = (3.19)
Conveccin.
La conveccin es el mecanismo transferencia de calor a travs de un fluido con
movimiento masivo de ste. En la conveccin existe movimiento del fluido a nivelmacroscpico mientras que en la conduccin existe movimiento a nivel microscpico,
atmico o molecular, pero no a nivel macroscpico, entendiendo como nivel macroscpico
movimiento de volmenes relativamente grandes del fluido.
Conveccin forzada.
En la conveccin forzada se obliga al fluido a fluir mediante medios externos, para el
caso de flujo interno, el fluido debe estar completamente confinado por las superficies
interiores del tubo.
-
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Conduccin.
La conduccin de calor se debe a un gradiente de temperatura en el interior de un
medio o en medios diferentes. El proceso de propagacin de la energa se ocasiona al
contacto directo entre las partculas de un cuerpo o entre cuerpos, a distintas temperaturas.
Va acompaada, generalmente, de variaciones de temperatura en el espacio y en el tiempo.
Nmeros a dimensionales. [10]
En el anlisis de la conveccin es prctica comn quitar las dimensiones a las
expresiones fsico-matemticas que modelan el mecanismo y agrupar las variables, dando
lugar a los nmeros a dimensionales. En conveccin se emplean los siguientes nmeros a
dimensionales:
Nmero de Nusselt (Nu)
Representa la relacin que existe entre el calor transferido por conveccin a travs
del fluido y el que se transferira si slo existiese conduccin.
Nmero de Nusselt Para conveccin natural superficies exteriores.
25,0)Ra(53,0Nu = (3.20)
94
10Ra10:Para
-
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Nmero de Nusselt Conveccin forzada superficies exteriores:
+
=
1Pr8
f7,1207,1
PrRe
8
f
Nu3
2 (3.21)
o
co
k
LhNu = (3.22)
h0 = Coeficiente de transferencia de calor por conveccin
Ffth
Btuo2
Ra = Nmero de Rayleigh.
k = Coeficiente de conductividad trmica.
Ffth
Btuo
Lc= longitud caracterstica. [ft].
Nmero de Prandtl(Pr).
Representa la relacin que existe entre la difusividad molecular de la cantidad de
movimiento y la difusividad molecular del calor o entre el espesor de la capa lmite develocidad y la capa lmite trmica, este valor se lo obtiene de tablas con la temperatura de
saturacin del caldero.
Nmero de Reynolds (Re)
Representa la relacin que existe entre las fuerzas de inercia y las fuerzas viscosas
que actan sobre un elemento de volumen de un fluido. Es un indicativo del tipo de flujo
del fluido, laminar o turbulento.
Para tubos: si Re < 2300 el flujo es laminar. Si 2300 < Re < 10000 el flujo es de
transicin. SiRe > 10000el flujo es turbulento.
-
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cLVRe
= (3.23)
Dnde:= Densidad del fluido
Lc= Longitud caracterstica
= Viscosidad dinmica
Nmero de Grashof(Gr)
Es un nmero a dimensional en mecnica de fluidos que es proporcional al cociente
entre las fuerzas de flotacin y las fuerzas viscosas que actan en un fluido.Las propiedades del vapor se encuentran en el ANEXO 4 [22].
Datos para el clculo.
Se presentan todos los parmetros necesarios para determinar el espesor del aislantede la tubera.
Dimetro exterior tubera2
1(Lc2.) = 0,84 in= 0.07 [ ]ft .
Radio exterior de la tubera ( )121
r = 0,035 [ ]ft .
Radio interior de la tubera ( )ir21
= 0,0259 [ ]ft .
Temperatura ambiente (T0 )= 20 [ ]C .
Temperatura superficie del tubo (T2 )= 220 [ ]F (asumido).Temperatura del vapor (Ti )= 287.67 F , a 55.55 [ ]psia .
Velocidad del vapor =s
m243,10 =
s
ft6,33
Viscosidad dinmica ()=
sft
lb102171,9 6
Longitud de la tubera 2m = 6,56 [ ]ft
Nmero de Prandtl(Pr)= 0,9514 para vapor a 287,67 [ ]F
-
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Coeficiente de conductividad trmica del vapor (ki)= 0,0167
Ffth
Btuo
Coeficiente de conductividad trmica de la tubera (k1
)= 33,7649
Ffth
Btu
o
Clculo del aislante.
Un buen aislamiento trmico puede conseguir de forma permanente y continua que la
temperatura de la superficie del ducto, se mantenga por encina de la del roco del ambiente,
con lo que se evitara su condensacin.
Resistencias trmicas.
Se calcula las resistencias trmicas,del circuito trmico:
Resistencia 1
El nmero de Reynolds es:
( )( )610x2171,91295,00518,059,33Re
=
15,24462Re =
Para 10000Re > se considera flujo turbulento.
El factor de friccin es:
( )2
10 64,1Relog82,1f
= (3.24 )
( )[ ]
02482,0f
64,147,35814log82,1f 210=
=
Para conveccin forzada en la ecuacin (3.21)
-
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( )
( )
+
=
19514,08
02482,07,1207,1
9514,015,244628
02482,0
Nu
3
2
97,68=Nu
Con el valor del nmero de Nusselt ahora se encuentra el coeficiente de transferencia de
calor por conveccin del vapor (ecuacin 3.22).
( )0518,0
0167,097,68hi =
=
Ffth
Btu224,22h
o2i
Entonces:
( )( )56,60259,0224,221
R1 =
= Btu
Fh
R 04212,01 Resistencia 2.
Resistencia trmica por conduccin en la tubera.
Reemplazando los valores en la ecuacin (3.17) se tiene:
( )( )56,67649,3320259,0035,0ln
R2
=
=
Btu
Fh000216,0R2
Resistencia 3
Es la resistencia que se da por el aislante, como el primer clculo se lo realiza sin
aislante, entonces 3R es nulo
-
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Resistencia 4
Resistencia trmica por conveccin del aire.
En este caso se tiene conveccin natural del aire hacia el ducto, para lo cual sedeterminan los siguientes parmetros:
Para obtener las propiedades del aire se lo hace a temperatura flmica.
2wo
f
TTT
+= (3.25)
DondefilmicaatemperaturTf :
ambienteatemperaturTo :
ductodelerficieladeatemperaturTw sup:[ ]F144
2
22068Tf =
+=
En la tabla 3.7, encontramos las propiedades para el aire a la temperatura flmicaPr = 0.72
=
Ffth
Btu01628,0k
oo
=2
62
ftF1103596,1g
En la conveccin natural otro parmetro necesario para determinar el valor del
coeficiente de transferencia de calor es el nmero de Grashof cuya ecuacin es:
( )( )3cow2
LTTg
Gr =
(3.25)
Donde se tiene:
Lc= longitud caracterstica
Reemplazando los valores se tiene:
-
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( )( )36 07,068220103506,1Gr =
8816,70414=Gr
Con el nmero de Grashof y Prandtl, se calcula el nmero de Rayleigh
GrRa Pr= (3.26)
56,51036=Ra
Para 104< Ra < 109 se tiene que
( ) 25,053,0 RaNu =
966,7=Nu
De la ecuacin (3.22) se tiene:
( )07,0
01628,0966,7ho =
=
Ffth
Btu8526,1ho
Se determina el valor de R4:
( )( )( )56,607,08526,11
R4 =
=
Btu
Fh374,0R4
Con los valores de las resistencias trmicas se puede determinar la perdida de calor,
para lo cual se tiene:
374,0000216,00421,0
6867,287
++
=q
=h
Btu4358,527q
Como la temperatura de la superficie del tubo es asumido, se calcula esta temperatura.
Despejando de la ecuacin de las prdidas de calor se tiene:( )2112 RRqTT += (3 .27)
( )000216,00421,04358,52767,2872 +=T
[ ]F34,265T2 =
-
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Como la temperatura asumida es diferente a la calculada se realiza otra iteracin, a travs
de una hoja de clculo (EXCEL).
-
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Tabla 3.8: HOJA DE CLCULO PARA PRDIDAS DE CALOR DUCTOS.
Se realiza varias iteraciones hasta que la temperatura asumida sea igual a la
temperatura calculada, se obtiene que la prdida de calor sin aislante es:
=
h
Btu94,551q
0,01
0,84 0,07
0,622 0,0518
6,56
58,4472 33,770
0,1295
9,217E06
0,9514
0,0167
1158035
68
264,3
0,016723
0,038 0,021956
0 0
0,84 0,07
287,67
0,72
33,59
24462,149
0,02482368,979773
22,224351
56139,508
8,1581751
1,948988
0,0421218
0,0002159
0
0,3556625
(/) 551,93445
EIECIA
EIECIA 1
EIECIA 2
EIECIA
#
#
(/ 2)
(/)
#
F :#
(/ 2)
E ()
D
(F)
#
C
(F)
(F)
C (B/ F)
C (/C)(B/F)
(/)
D (),()
#
C (B/ F)
D (),()
()
C (/C)(B/F)
D (/3)
D (/)
-
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Se selecciona lana de vidrio como material para aislar el ducto y la cmara de
expansin, para el clculo de la prdida de calor con aislante se lo realiza incrementando el
espesor desde un valor de 0,01 in.
De la misma manera que se calcul la prdida de calor del ducto sin aislante, se lo
realiza con aislante aumentando una resistencia ms, con ayuda de otra hoja de clculo.
Tabla 3.9: ITERACIONES ESPESOR DE AISLANTE.
Se selecciona un espesor de aislante de 1 pulgada, las prdidas de calor para los diferentesespesores de aislante se los presenta en el siguiente grfico.
1 2 1 2 2
(F) (F) ( ) ( ) () () (B/F) (B/2F) F /B F /B F /B F /B (B/)
287,67 68 6,56 0,0518 0,07 0 0,02196 1,949 0,04212 0,000216 0,000 0,356 551,94 0,42
287,67 68 6,56 0,0518 0,0716667 0,01 0,02196 1,781 0,04212 0,000216 0,026 0,358 515,21 0,43
287,67 68 6,56 0,0518 0,0733333 0,02 0,02196 1,731 0,04212 0,000216 0,051 0,362 482,09 0,44
287,67 68 6,56 0,0518 0,075 0,03 0,02196 1,683 0,04212 0,000216 0,076 0,366 453,64 0,45
287,67 68 6,56 0,0518 0,0766667 0,04 0,02196 1,639 0,04212 0,000216 0,101 0,369 428,95 0,46287,67 68 6,56 0,0518 0,0783333 0,05 0,02196 1,596 0,04212 0,000216 0,124 0,373 407,33 0,47
287,67 68 6,56 0,0518 0,08 0,06 0,02196 1,556 0,04212 0,000216 0,148 0,376 388,24 0,48
287,67 68 6,56 0,0518 0,0816667 0,07 0,02196 1,518 0,04212 0,000216 0,170 0,379 371,25 0,49
287,67 68 6 ,56 0,0518 0,0833333 0,08 0,02196 1,482 0,04212 0,000216 0,193 0,382 356,04 0,5
287,67 68 6,56 0,0518 0,085 0,09 0,02196 1,448 0,04212 0,000216 0,215 0,385 342,32 0,51
287,67 68 6 ,56 0,0518 0,0866667 0,1 0,02196 1,411 0,04212 0,000216 0,236 0,388 3 29,91 0,52
287,67 68 6,56 0,0518 0,0883333 0,11 0,02196 1,384 0,04212 0,000216 0,257 0,390 318,60 0,53
287,67 68 6,56 0,0518 0,09 0,12 0,02196 1,354 0,04212 0,000216 0,278 0,393 308,26 0,54
287,67 68 6,56 0,0518 0,0916667 0,13 0,02196 1,325 0,04212 0,000216 0,298 0,395 298,77 0,55
287,67 68 6,56 0,0518 0,0933333 0,14 0,02196 1,298 0,04212 0,000216 0,318 0,397 290,01 0,56
287,67 68 6,56 0,0518 0,095 0,15 0,02196 1,272 0,04212 0,000216 0,337 0,399 281,92 0,57
287,67 68 6 ,56 0,0518 0,1033333 0,2 0,02196 1,156 0,04212 0,000216 0,430 0,409 2 49,09 0,62
287,67 68 6,56 0,0518 0,1116667 0,25 0,02196 1,060 0,04212 0,000216 0,516 0,417 225,11 0,67
287,67 68 6,56 0,0518 0,12 0,3 0,02196 0,979 0,04212 0,000216 0,596 0,425 206,75 0,72
287,67 68 6,56 0,0518 0,1283333 0,35 0,02196 0,910 0,04212 0,000216 0,670 0,431 192,20 0,77287,67 68 6 ,56 0,0518 0,1366667 0,4 0,02196 0,849 0,04212 0,000216 0,739 0,436 1 80,36 0,82
287,67 68 6,56 0,0518 0,145 0,45 0,02196 0,797 0,04212 0,000216 0,805 0,441 170,52 0,87
287,67 68 6 ,56 0,0518 0,1533333 0,5 0,02196 0,750 0,04212 0,000216 0,866 0,446 162,18 0,92
287,67 68 6,56 0,0518 0,1616667 0,55 0,02196 0,708 0,04212 0,000216 0,925 0,450 155,02 0,97
287,67 68 6,56 0,0518 0,17 0,6 0,02196 0,671 0,04212 0,000216 0,980 0,453 148,80 1,02
287,67 68 6,56 0,0518 0,1783333 0,65 0,02196 0,637 0,04212 0,000216 1,033 0,457 143,33 1,07
287,67 68 6 ,56 0,0518 0,1866667 0,7 0,02196 0,607 0,04212 0,000216 1,084 0,460 138,49 1,12
287,67 68 6,56 0,0518 0,195 0,75 0,02196 0,579 0,04212 0,000216 1,132 0,463 134,15 1,17
287,67 68 6 ,56 0,0518 0,2033333 0,8 0,02196 0,554 0,04212 0,000216 1,178 0,466 1 30,26 1,22
287,67 68 6,56 0,0518 0,2116667 0,85 0,02196 0,531 0,04212 0,000216 1,223 0,468 126,73 1,27
287,67 68 6,56 0,0518 0,22 0,9 0,02196 0,509 0,04212 0,000216 1,265 0,471 123,51 1,32
287,67 68 6,56 0,0518 0,2283333 0,95 0,02196 0,490 0,04212 0,000216 1,306 0,473 120,57 1,37
287,67 68 6 ,56 0,0518 0,2366667 1 0,02196 0,431 0,04212 0,000216 1,346 0,476 1 17,83 1,42
-
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Figura 3.10: Radio del aislante Prdidas de calor tubera.
En el grafico se muestra una tendencia a mantener constante las prdidas de calor al
aumentar el espesor del aislante, por lo cual se selecciona una cauela de 1 pulgada de
espesor.
De la misma forma se procede mediante iteraciones a determinar el espesor del
aislante en la cmara de expansin, cuyos datos se presentan en la siguiente tabla:
0,00
100,00
200,00
300,00
400,00
500,00
600,00
0 0,2 0,4 0,6 0,8 1 1,2 1,4 1,6
/
.
-
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Tabla 3.10:HOJA DE CLCULO PRDIDAS DE CALOR CMARA DE
EXPANSIN
(/) 0,01
D (),() 5,563 0,4635833
D (),() 5,047 0,4206
() 0,7874
C (/C)(B/F) 58,4415628 33,767
D (/3) 0,1295
D (/) 9,40E06
# 0,9514
C (B/ F) 0,0167
C 1629642,5
(F) 68
(F) 160,65
C (B/ F) 0,0156865
C (/C)(B/F) 0,038 0,021956
E () 0 0
D 5,563 0,4635833
(F) 259,29
0,72
(/) 1,1482# 6653,89737
F : 0,035359294
# 26,84177462
(/ 2) 1,065799809
# 10830629,61
# 30,40460009
(/ 2) 1,028815587
EIECIA 0,901832754
EIECIA 1 0,000582693
EIECIA 2 0
EIECIA 0,847594933
(/) 109,3079231
-
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Tabla 3.10: ESPESOR DEL AISLANTE EN LA CMARA DE EXPANSIN
Se selecciona un espesor de aislante de 1 pulgada, la prdida de calor es
h
Btu72,41 .
1 2 1 2 2
(F) (F) () () () () (B/F) (B/2F) (B/)
259,29 68 0,787 0,4206 0,463583 0 0,02196 1,958 0,90183 0,000583 0,000 0,848 109,31 2,781498
259,29 68 0,787 0,4206 0,4652497 0,01 0,02196 1,781 0 ,90183 0,000583 0,033 0,849 107,20 2,791498
259,29 68 0,787 0,4206 0,4669163 0,02 0,02196 1,731 0 ,90183 0,000583 0,066 0,850 105,18 2,801498259,29 68 0,787 0,4206 0,468583 0,03 0 ,02196 1,683 0,90183 0,000583 0,099 0,852 103,24 2,811498
259,29 68 0,787 0,4206 0,4702497 0,04 0,02196 1,639 0 ,90183 0,000583 0,131 0,853 101,39 2,821498
259,29 68 0,787 0,4206 0,4719163 0,05 0 ,02196 1,596 0,90183 0,000583 0,164 0,854 99,61 2,831498
259,29 68 0,787 0,4206 0,473583 0,06 0,02196 1,556 0 ,90183 0,000583 0,196 0,855 97,89 2,841498
259,29 68 0,787 0,4206 0,4752497 0,07 0 ,02196 1,518 0,90183 0,000583 0,229 0,856 96,25 2,851498
259,29 68 0,787 0,4206 0,4769163 0,08 0 ,02196 1,482 0,90183 0,000583 0,261 0,857 94,67 2,861498
259,29 68 0,787 0,4206 0,478583 0,09 0,02196 1,448 0 ,90183 0,000583 0,293 0,858 93,14 2,871498
259,29 68 0,787 0,4206 0,4802497 0,1 0,02196 1,411 0 ,90183 0,000583 0,325 0,859 91,67 2,881498
259,29 68 0,787 0,4206 0,4819163 0,11 0 ,02196 1,384 0,90183 0,000583 0,357 0,860 90,25 2,891498
259,29 68 0,787 0,4206 0,483583 0,12 0,02196 1,354 0 ,90183 0,000583 0,389 0,861 88,89 2,901498
259,29 68 0,787 0,4206 0,4852497 0,13 0 ,02196 1,325 0,90183 0,000583 0,421 0,862 87,57 2,911498
259,29 68 0,787 0,4206 0,4869163 0,14 0 ,02196 1,298 0,90183 0,000583 0,452 0,862 86,29 2,921498
259,29 68 0,787 0,4206 0,488583 0,15 0,02196 1,272 0 ,90183 0,000583 0,484 0,863 85,06 2,931498259,29 68 0,787 0,4206 0,4969163 0,2 0,02196 1,156 0 ,90183 0,000583 0,639 0,866 79,45 2,981498
259,29 68 0,787 0,4206 0,5052497 0,25 0 ,02196 1,060 0,90183 0,000583 0,792 0,868 74,64 3,031498
259,29 68 0,787 0,4206 0,513583 0,3 0 ,02196 0,979 0,90183 0,000583 0,943 0,870 70,45 3,081498
259,29 68 0,787 0,4206 0,5219163 0,35 0 ,02196 0,910 0,90183 0,000583 1,091 0,871 66,79 3,131498
259,29 68 0,787 0,4206 0,5302497 0,4 0,02196 0,849 0 ,90183 0,000583 1,237 0,871 63,54 3,181498
259,29 68 0,787 0,4206 0,538583 0,45 0,02196 0,797 0 ,90183 0,000583 1,380 0,871 60,65 3,231498
259,29 68 0,787 0,4206 0,5469163 0,5 0,02196 0,750 0 ,90183 0,000583 1,522 0,871 58,06 3,281498
259,29 68 0,787 0,4206 0,5552497 0,55 0 ,02196 0,708 0,90183 0,000583 1,661 0,870 55,71 3,331498
259,29 68 0,787 0,4206 0,563583 0,6 0 ,02196 0,671 0,90183 0,000583 1,798 0,869 53,59 3,381498
259,29 68 0,787 0,4206 0,5719163 0,65 0 ,02196 0,637 0,90183 0,000583 1,933 0,868 51,65 3,431498
259,29 68 0,787 0,4206 0,5802497 0,7 0,02196 0,607 0 ,90183 0,000583 2,066 0,866 49,87 3,481498
259,29 68 0,787 0,4206 0,588583 0,75 0,02196 0,579 0 ,90183 0,000583 2,198 0,865 48,24 3,531498
259,29 68 0,787 0,4206 0,5969163 0,8 0,02196 0,554 0 ,90183 0,000583 2,327 0,863 46,74 3,581498259,29 68 0,787 0,4206 0,6052497 0,85 0 ,02196 0,531 0,90183 0,000583 2,455 0,861 45,35 3,631498
259,29 68 0,787 0,4206 0,613583 0,9 0 ,02196 0,509 0,90183 0,000583 2,581 0,859 44,05 3,681498
259,29 68 0,787 0,4206 0,6219163 0,95 0 ,02196 0,490 0,90183 0,000583 2,705 0,857 42,85 3,731498
259,29 68 0,787 0,4206 0,6302497 1 0,02196 0,471 0,90183 0,000583 2,827 0,855 41,72 3,781498
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Figura3.11: Radio del aislante Prdidas de calor cmara
Construccin de la cmara de expansin.
Para la construccin de la cmara de expansin se seleccion una tubera de 5 in de
dimetro con un espesor de 0.28 in, se cort una longitud de 24.5 cm, para luego poder
refrentar en el torno dejando una longitud de 24 cm calculados.
Figura 3.12: Tubo de 5 in.
Para confeccionar las tapas de la cmara se utiliz una placa de acero A-36 con un
espesor de 4 mm, con ayuda de la suelda oxiacetilnica se dio la forma a las tapas con un
dimetro de 5 in. De igual manera se iguala el contorno de cada tapa con el torno.
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58
Figura 3.13: Tapas cmara
Para ubicar el termmetro y la vlvula de salida del vapor se realizaron dos agujeros
ubicados en el centro de las tapas, tanto en la superior para el termmetro como en la
inferior para la vlvula.
Para fijar el termmetro se sold un cono de bronce de in con ayuda de la
oxiacetilnica.
En el tubo se practic dos agujeros, uno para la entrada de vapor a una distancia de
de la base de la tubera y el otro en la mitad de la tubera, opuesta al agujero anterior
para ubicar el manmetro. Se sold en cada agujero un neplo in x 2in.
Las tapas se fijaron a la tubera con ayuda de la suelda elctrica
Figura 3.14: Cmara de expansin sin aislante.
Con la cmara de expansin construida se procede a aislarla utilizando lana de vidrio
de una pulgada de espesor
Aislada la cmara de expansin se cubri con tol galvanizado, dejando los agujeros
para los instrumentos, la entrada y salida de vapor.
Cubierta la cmara se colocaron los instrumentos y la vlvula para la salida del
vapor, a continuacin se coloc la cmara en la estructura fijndola a esta mediante
esprragos.
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59
Figura 3.15: Instrumentos en cmara de expansin.
Luego de fijar la cmara de expansin en la estructura se procedi a colocar el sistema
de tubera que va hacia el caldero, en el cual se encuentra la vlvula de estrangulamiento,
para evitar fugas en el montaje de la tubera se utiliz tefln cubierto de sicaflex.
Figura 3.16: Montaje tubera.
Con la tubera montada se la aisl cubrindola con cauelas de lana de vidrio.
Con el calormetro instalado se procedi a realizar pruebas de funcionamiento
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60
CAPTULO IV
4. CONTROL AUTOMTICO DELA CALDERA.
4.1. Control automtico [11].
Los instrumentos con los cuales se controla el correcto funcionamiento del caldero,
se vuelven ms complejos en correspondencia al tamao y potencia del mismo, en
consecuencia, la generacin de vapor en calderos de menor tamao de bajapotencia
requiereun reducido nmero de instrumentos, cuyo funcionamiento es ms simple, con el
empleo de estos, se obtiene una medida clara de los parmetros y seales provenientes; del
nivel de lquido, temperatura, presin y conservacin de la llama.
Figura 4.1: Tablero de control.
4.2. Control de nivel de Lquido.
Las calderas de operacin automtica, tienen que estar equipadas con un interruptor
de bajo nivel de lquido. La funcin de este control es, bloquear la operacin del
quemador.
El nivel de lquido normal en una caldera, puede variar segn el fabricante, pero
generalmente se lo hace hasta los dos terciosdel visor de nivel, a medida que la caldera
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7/25/2019 Calorimetro de e4strangulacion
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funcione, el lquido se convertir en vapor y saldr a travs de los ductos de vapor, debido
a esto, el nivel de lquido descender.
Al descender el nivel, por debajo de un punto crtico, los gases de combustin a
elevadas temperaturas producirn el reblandecimiento de los tubos de fuego y paredes de la
cmara de combustin, los cualespodran deformarse o fundirse, producindose en una
operacin poste