PROYECTO DE CALDEROS REGULARES

FACULTAD NACIONAL DE INGENIERÍA
INGENIERÍA MECÁNICA
PROYECTO
DISEÑO DE CALDERAS
Materia:
-
Docente:
ORURO – BOLIVIA
ÍNDICE
1
INTRODUCCIÓN ......................................................................................................................................... 1
2
OBJETIVOS ................................................................................................................................................. 1
3
MARCO TEÓRICO ....................................................................................................................................... 1
3.1
DEFINICIÓN DE CALDERAS ................................................................................................................. 1
3.2
CARACTERÍSTICAS COMUNES EN LOS GENERADORES O CALDERAS DE VAPOR ............................... 2
3.2.1
PRESIÓN EFECTIVA PE: ............................................................................................................... 2
3.2.2
SUPERFICIE DE CALEFACCIÓN S: ................................................................................................ 2
3.2.3
PRODUCCIÓN DE VAPOR D: ....................................................................................................... 2
3.2.4
PRODUCCIÓN ESPECÍFICA Y POTENCIALIDAD ESPECÍFICA DS: .................................................. 2
3.2.5
RENDIMIENTO DE UN GENERADOR O CALDERA DE VAPOR ΗGV: ............................................ 2
3.3
NORMA ESPAÑOLA. - CALDERAS PARA INSTALACIONES DE CALEFACCIÓN...................................... 4
3.3.1
PROCEDIMIENTO DE CÁLCULO: ................................................................................................. 4
3.3.2
CAPACIDADES DE CARGAS NORMALES: .................................................................................... 4
3.4
CALDERAS TIPO PAQUETE ................................................................................................................. 5
3.4.1
3.5
NORMALIZACIÓN ............................................................................................................................... 6
3.6
NORMAS D.I.N ................................................................................................................................... 6
3.6.1
4
SUPERFICIE DE CALEFACCIÓN EN CALDERAS TIPO PAQUETE S ................................................. 6
CÁLCULO MECÁNICO DE LOS GENERADORES DE VAPOR.......................................................... 6
DATOS Y CÁLCULOS ................................................................................................................................... 7
4.1
DISEÑO TÉRMICO .............................................................................................................................. 7
4.2
DISEÑO MECÁNICO.......................................................................................................................... 10
4.3
EVALUACIÓN DE COSTOS ................................................................................................................ 15
5
PLANOS .................................................................................................................................................... 15
6
CONCLUSIONES........................................................................................................................................ 17
MAQUINAS TÉRMICAS I MEC-2331 “A”
DISEÑO DE CALDERAS A VAPOR PIROTURBULARES INDUSTRIALES
1
INTRODUCCIÓN
El vapor, ese fluido omnipresente en la ingeniería industrial, ha sido durante mucho tiempo la fuerza
impulsora detrás de numerosas aplicaciones, desde la generación de energía hasta los procesos de
fabricación. En el corazón de muchos sistemas de vapor se encuentra la caldera, una pieza de
ingeniería fundamental que convierte la energía contenida en combustibles en vapor utilizable. Sin
embargo, en un mundo cada vez más enfocado en la eficiencia energética y la sostenibilidad, el
diseño de calderas de vapor eficientes se convierte en un desafío y una oportunidad clave para
impulsar la innovación en la ingeniería térmica.
En el corazón de la ingeniería mecánica y térmica, el diseño de calderas de vapor representa una
intersección crítica entre la innovación tecnológica, la eficiencia energética y la viabilidad
económica. Estas máquinas, fundamentales para una amplia gama de aplicaciones industriales,
requieren un enfoque integral que aborde tanto los aspectos mecánicos como los térmicos, al
tiempo que considere la evaluación económica para garantizar su viabilidad a largo plazo. Este
proyecto se propone abordar estos desafíos mediante un enfoque multidisciplinario que integre el
diseño mecánico, el diseño térmico y la evaluación de costos.
2
OBJETIVOS
• Diseño Mecánico: Desarrollar un diseño mecánico robusto y seguro para la caldera de vapor,
considerando aspectos como la resistencia estructural, la integridad del recipiente a presión y la
facilidad de mantenimiento. Se buscará utilizar técnicas de modelado y simulación para optimizar
la geometría y los materiales de construcción, garantizando un rendimiento duradero y confiable.
• Diseño Térmico: Realizar un análisis detallado del rendimiento térmico de la caldera, considerando
la transferencia de calor, la distribución de temperaturas y la eficiencia energética. Se buscará
optimizar el diseño del intercambiador de calor y los sistemas de combustión para maximizar la
eficiencia y minimizar las pérdidas térmicas.
• Evaluación de Costos: Realizar una evaluación exhaustiva de los costos asociados con el diseño, la
fabricación, la instalación y la operación de la caldera de vapor. Esto incluirá la estimación de los
costos de materiales, mano de obra, mantenimiento y consumo de combustible, así como el análisis
de la rentabilidad a lo largo de la vida útil del equipo.
3
MARCO TEÓRICO
3.1
DEFINICIÓN DE CALDERAS
Las calderas de vapor son unos aparatos en los que se hace hervir agua liquida para transformarlo
en vapor. El calor necesario para calentar y vaporizar el agua puede ser suministrado por un hogar.
Por gases calientes recuperados a la salida de otro equipo industrial (horno, por ejemplo), por el
fluido refrigerador de una pila atómica, por irradiación solar o por una corriente eléctrica. Cuando
el calor es suministrado por un líquido caliente o por vapor que se condensa, se suelen emplear
otras denominaciones, tales como vaporizador y trasformador de vapor. El sinónimo generador de
vapor se emplea de preferencia cuando se habla de calderas a una cierta importancia. Si la caldera
propiamente dicha está conectada a otros, de los cuales unos calientan el agua (precalentadores de
aire), y otros recalientan el vapor (recalentadores), suele denominarse el conjunto grupo
evaporador, y la parte del grupo en que se produce la evaporización se llama vaporizador o haz
vaporizador. Los aparatos que quitan su calor fluido refrigerador de un reactor nuclear (pila
atómica), si bien construyen verdaderos evaporadores o calderas en sentido amplio de la palabra,
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se denominan normalmente intercambiadores. Durante el funcionamiento, la caldera propiamente
dicha sometida interiormente a la presión de equilibrio del agua y de su vapor a la temperatura
alcanzada. Los otros elementos del grupo recorridos por el liquido o el vapor, a partir de la bomba
de alimentación (economizador, recalentador). Están
3.2
CARACTERÍSTICAS COMUNES EN LOS GENERADORES O CALDERAS DE VAPOR
3.2.1 PRESIÓN EFECTIVA PE:
Es la presión a la cual se produce el vapor y se mide generalmente en [Bar].
3.2.2 SUPERFICIE DE CALEFACCIÓN S:
Es la superficie de un generador o caldera de vapor donde una parte está en contacto con la llama
y los gases de combustión y la otra con el agua se mide en unidades de longitud al cuadrado [m 2]
3.2.3 PRODUCCIÓN DE VAPOR D:
También conocida como potencialidad del generador o caldera de vapor, y se refiere al peso de
vapor que se produce en una hora y se mide en [kg/h] o [Ton/h].
3.2.4 PRODUCCIÓN ESPECÍFICA Y POTENCIALIDAD ESPECÍFICA DS:
La producción específica de un generador o caldera de vapor es el vapor que se produce por cada
metro cuadrado de superficie de calefacción y por cada hora. Para diseño se toma este parámetro
de los que nos dan los fabricantes y usuarios para diferentes tipos de generadores o calderas de
vapor.
𝐷𝑆 =
𝐷 𝑘𝑔
[
]
𝑆 ℎ ∙ 𝑚2
3.2.5 RENDIMIENTO DE UN GENERADOR O CALDERA DE VAPOR ΗGV:
El rendimiento de un generador o caldera de vapor para la especificación o prueba de un generador,
se determina por el calor absorbido del generador y el calor disponible en el hogar. (Datos de
referencia en la tabla siguiente).
𝜂𝑔𝑣 = (
𝑄𝐶
) ∙ 100 %
𝑄𝐷𝐼𝑆𝑃
En la secuencia de cálculo de un generador o caldera de vapor inicialmente se calculan las
necesidades tanto de vapor como ce combustible para las máximas producciones y sobrecargas. Se
requiere una estimación tanto del rendimiento de la caldera como de la producción específica que
dependen de la recuperación térmica. En las tablas siguientes se dan valores de referencia que
pueden usarse como guía para estimar el rendimiento (Tabla 4.1) y la producción específica (tabla
4.2) de un generador o caldera de vapor.
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TABLA 4.1
Los datos que podemos conseguir del fabricante y usuarios, pueden llegar a ser un punto definitivo
para el diseño y posterior fabricación de las calderas, por tanto, es muy importante poseer
información acerca de las calderas.
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3.3
NORMA ESPAÑOLA. - CALDERAS PARA INSTALACIONES DE CALEFACCIÓN
3.3.1 PROCEDIMIENTO DE CÁLCULO:
La superficie de calefacción se obtendrá aplicando la fórmula siguiente:
𝑆=
𝑄1
[𝑚2 ]
𝑄𝑆
En la que:
S : Superficie de calefacción de la caldera en [m2]
Q1 : Potencia térmica o calor suministrado a la caldera en [kW]
QS : Capacidad específica de la superficie de calefacción en [kcal/m2∙h] o [kW/m2]
3.3.2 CAPACIDADES DE CARGAS NORMALES:
Los valores de la tabla 4.3 son capacidades específicas de la superficie de calefacción, que servirán
de base para el cálculo del tamaño de la caldera. Para calderas de elementos de fundición gris y
calderas de acero de construcción análoga se utiliza la misma tabla.
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3.4
CALDERAS TIPO PAQUETE
La característica fundamental de este tipo de calderas es que es ensamblada en el lugar de
fabricación, simplemente son los accesorios los que se instalan en el sitio definitivo de trabajo de la
caldera, es importante recalcar que trabajar con este tipo de calderas es beneficioso puesto que, las
certificaciones han sido ya extendidas, es decir que las pruebas ya han sido efectuadas en la fábrica,
por tanto si se opta por este tipo instalación, tendremos costos menores, mayor confiabilidad y
además tener la certeza de que los componentes estarán colocados adecuadamente. Para trabajar
con este tipo de calderas, debemos proporcionar al fabricante datos específicos de funcionamiento,
es decir informar de presiones de trabajo, requerimientos de cantidad de vapor, combustible a
utilizar, etc. Sobre la base de estos datos el fabricante tendrá la información necesaria para construir
la caldera que requerimos, estás calderas pueden ser de calefacción como de fuerza. Estas calderas
tipo paquete son de 1 o 2 tubos de fuego, es decir de hogar interior o pirotubulares denominados
también igniotubulares.
Figura 1. 1 Caldera a Vapor Piroturbulares
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3.4.1 SUPERFICIE DE CALEFACCIÓN EN CALDERAS TIPO PAQUETE S
Estas calderas son las utilizadas en la actualidad debido a su elevado rendimiento, fácil construcción
y de pequeñas dimensiones, pero son de elevadas producciones de hasta 900 [kg/h] de vapor,
presiones que no superan los 20 [Bar]. Se denominan tipo paquete porque toda la construcción se
la realiza en la fábrica, la instalación en el lugar de trabajo se limita a las conexiones de accesorios y
de tuberías conductoras. Según recomendaciones de los fabricantes y además de reconocimientos
de las normas A.S.M.E. estas calderas tienen la siguiente superficie de calefacción:
5 [pies2] = 1 [HPCAL]*
0,05 [m2] = 1 [kW]
Donde: 1 [HPCAL]*: Un Caballo de Fuerza de Caldera, equivale a la evaporación de 15,65 [kgagua/h],
a 100 [°C] O sea agua saturada a 100 [°C] hasta convertirla en vapor a 100 [°C] a la presión de
1,0332 [kg/cm2] absoluto. La cantidad de calor necesario para evaporar un [kg] de agua desde y a
100 [°C] es 539,4 [kCal]. Por tanto, la cantidad de calor 15, 65 [Kg] de agua es 8441,61 [Kcal/h].
Por tanto:
1 [𝐻𝑃𝐶𝐴𝐿 ] = 8441,61 [
1 [𝐻𝑃𝐶𝐴𝐿 ] = 8441,61 [
𝐾𝑐𝑎𝑙
] 𝑦 1 [𝑘𝑊 − ℎ] = 860 [𝐾𝑐𝑎𝑙]
ℎ
𝐾𝑐𝑎𝑙
ℎ
] ∙ [ 1 𝑘𝑊 − ℎ/860,4 𝐾𝑐𝑎𝑙 ] = 9,81 [𝑘𝑊]
5 5 [𝑝𝑖𝑒2] = 1 [𝐻𝑃𝐶𝐴𝐿 ] ∙ 9,81 [𝑘𝑊 1/𝐻𝑃𝐶𝐴𝐿 ] 𝑦 5 [𝑝𝑖𝑒2] ∙ [1 𝑚2/(3,28 𝑝𝑖𝑒)2]
1 [m2] = 21,32 [kW] → 1 [𝑘𝑊] = 0,046 [𝑚2 ]
3.5
NORMALIZACIÓN
La aspiración a normalizar no solo las piezas de calderas sino la caldera en si misma ha dado origen
a las diferentes normas es decir cada país dispone de su norma correspondiente, en nuestro país, la
institución encargada regir las normas se denomina IBNORCA. Sin embargo, todas las normas están
en base a dos normas que rigen los parámetros en la industria ya desde
La gran variedad de combustibles que se dispone y los distintos modos de realizar la combustión,
así como los variados tipos de hogares, los diferentes tipos de circulación tanto de los gases como
del agua en los conductos a forzado la anhelada normalización tanto para la construcción como para
la selección de equipos y accesorios que ha dado como resultado la normalización de las presiones
y de las temperaturas. Cabe aclarar que todas estas normas están en constante revisión.
3.6
NORMAS D.I.N
3.6.1 CÁLCULO MECÁNICO DE LOS GENERADORES DE VAPOR
3.6.1.1 ESPESOR DE PARED DE LA CALDERA DE VAPOR CILÍNDRICAS SOMETIDAS A PRESIÓN
INTERNA EFECTIVA Y CON TEMPERATURAS HASTA 525 [OC] EN LAS PAREDES
𝑷𝒊 ∙ 𝑫𝒊
𝑺=
+ 𝑪 [𝒎𝒎]
𝑲∙𝑬
𝟐𝟎𝟎 ∙
− 𝑷𝒊
𝜹
Donde:
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s [mm]: Espesor de la pared (como mínimo 5 mm)
Di [mm]: Diámetro interno
pi [Bar]: Presión aprobada
K [Kg./mm2]:Característica de resistencia del material
E: Coeficiente de debilitamiento por soldadura
𝛿: Coeficiente de seguridad
c [ mm]: Aumento del espesor de la pared para prevenir deterioros o desgastes de la misma
Los valores entre paréntesis indican que el material no se puede usar convenientemente en régimen
permanente para las temperaturas en cuestión. Los materiales compuestos por A y L significan: A
materiales resistentes al envejecimiento; L materiales resistentes a la formación de grietas.
Acerca de la composición química, propiedades de utilización y fabricación de planchas para
calderas remitirse a la norma DIN 17155.
4
DATOS Y CÁLCULOS
4.1
DISEÑO TÉRMICO
En este paso se determina la superficie de calefacción en función del equilibrio térmico, que se
realiza en el generador de vapor y considerando las características térmicas del vapor de
temperatura y presión
Los investigadores y usuarios de los generadores de vapor estas ecuaciones las hacen tabulado en
función de sus propias experiencias par que el cálculo sea verificable por lo tanto pueden utilizarse
las tablas:
4.1: 4.2; 4.3: del Texto Maquinas Térmicas I MEC-2331.
1. Rendimiento de un generador o caldera de vapor.
Tabla 4.1: Combustible: Gas Natural y Aceite.
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𝜂𝑐𝑎𝑙𝑑 = 85 [%]
DATOS
𝑄 = 1001 [𝑘𝑊]
𝑃 = 10 [𝐵𝑎𝑟]
Primera Alternativa:
De Tabla 4.3:
𝑺=
𝑇 = 100 [°𝐶]
𝑸𝟏
[𝒎𝟐 ]
𝑸𝑺
S : Superficie de calefacción de la caldera en [m2]
Q1 : Potencia térmica o calor suministrado a la caldera en [kW]
QS : Capacidad específica de la superficie de calefacción en [kcal/m 2∙h]
o [kW/m2]
Combustible: Gas Oil
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𝑄𝑆 = 11,62 [𝑘𝑊/𝑚2 ]
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Se tiene:
𝑆𝑐𝑎𝑙𝑓 =
1001 𝑘𝑊
= 86,14 [𝑚2 ]
11,62 𝑘𝑊/𝑚2
𝑆𝑐𝑎𝑙𝑓 = 𝐴𝑖 = 86,14 [𝑚2 ]
Segunda alternativa:
De Tabla 4.2:
𝑘𝑔
𝐷𝑆 = 15 [
]
ℎ ∙ 𝑚2
Producción especifica:
𝑫𝑺 =
𝑫 𝑘𝑔
𝑫
[𝒎𝟐 ]
[
] →𝑺=
2
𝑺 ℎ∙𝑚
𝑫𝑺
Hallando la producción de Vapor:
𝑸𝟏 = 𝑫 ∙ (𝒉 − 𝒉𝒇 ) [𝒌𝑾]
De TABLAS vapor de Agua vapor recalentado:
𝑇 = 300 [°𝐶]
𝑃 = 10 [𝐵𝑎𝑟] ≅ 1 [𝑀𝑃𝑎]
ℎ = 3051,2 [𝑘𝐽/𝑘𝑔]
La temperatura del agua normalmente sea 𝑇 = 20 [°𝐶] de TABLAS de agua de vapor en LC:
ℎ𝑓 = 83,96 [𝑘𝐽/𝑘𝑔]
Entonces:
𝐷=
𝑄1
1001 𝑘𝑊
𝑠
∗ 3600 =
∗ 3600
(3051,2 − 83,96)𝑘𝐽
(ℎ − ℎ𝑓 )
ℎ
𝑘𝑔
𝐷 = 1214,46 [
𝐾𝑔
]
ℎ
Por tanto, la superficie de calefacción será:
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𝑆=
1216,46 𝑘𝑔/ℎ
= 81,09 [𝑚2 ]
𝑘𝑔
15
ℎ ∙ 𝑚2
𝑆𝑐𝑎𝑙𝑓 = 𝐴𝑖 = 81,09 [𝑚2 ]
La superficie de calefacción debe ser mayor debido a que los tubos sean simétricos:
𝑆𝑐𝑎𝑙𝑓 = 𝐴𝑖 = 86,14 [𝑚2 ]
4.2
DISEÑO MECÁNICO
Consiste en la distribución de la superficie de calefacción y esta significa la elkecboracion de los
planos de construcción. En la practica industrial se elabora los planos respetando la superficie de
calefacción y en forma simétrica y para que esto se consiga normalmente se incrementa o aumenta
los tubos de calefacción
1. Diámetro de la Caldera:
DATOS
𝑄 = 1001 [𝑘𝑊]
Norma DIN:
𝑃 = 10 [𝐵𝑎𝑟]
Pag 68 del Texto MEC-2331
1 [𝑘𝑊] = 0,046 [𝑚2 ]
𝑇 = 100 [°𝐶]
𝑆𝑐𝑎𝑙𝑑 = 1001 𝑘𝑊 ∗
𝑺𝒄𝒂𝒍𝒅 =
𝝅 𝟐
∙𝑫
𝟒 𝒄𝒂𝒍𝒅
𝑫𝒄𝒂𝒍𝒇 = √
𝐷𝑐𝑎𝑙𝑑 = √
0,046 𝑚2
= 46,046 [𝑚2 ]
1 𝑘𝑊
𝟒 ∙ 𝑺𝒄𝒂𝒍𝒅
𝝅
4 ∙ 46,046 𝑚2
= 7,66 [𝑚]
𝜋
𝐷𝑐𝑎𝑙𝑑 = 7,66 [𝑚] = 7660 [𝑚𝑚]
Donde:
Factor de soldadura es:
𝑓 = 0,4
𝐷𝑐𝑎𝑙𝑑 = 0,4 ∗ 7,66 𝑚 = 3,064 [𝑚]
𝐷𝑐𝑎𝑙𝑑 = 3,064 [𝑚] = 3064 [𝑚𝑚] ≈ 𝐷𝑖 (𝐷𝑖𝑎𝑚𝑒𝑡𝑟𝑜 𝐼𝑛𝑡𝑒𝑟𝑛𝑜)
𝐷𝑖 = 3064 [𝑚𝑚]
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10,47 m
2. Presión de Diseño:
𝑷𝒊 = 𝟏, 𝟏 ∗ 𝑷
→ 𝑃𝑖 = 1.1 ∗ 10 𝐵𝑎𝑟 = 11 [𝐵𝑎𝑟]
𝑃𝑖 = 11 [𝐵𝑎𝑟]
3. Material para fabricar:
(Pág. 99 Texto MEC-2331 Ing. Gustavo U. Rojas):
Norma: 17 Mn 4 → T=300 [°C]
𝐾𝑔
𝐾 = 21 [𝑚𝑚2 ]
4. Espesor de Coraza:
𝑺=
-
𝑷𝒊 ∙ 𝑫𝒊
+ 𝑪 [𝒎𝒎]
𝑲∙𝑬
𝟐𝟎𝟎 ∙
− 𝑷𝒊
𝜹
Para E “factor de Eficiencia”:
(Pág. 114 Tabla II Texto MEC-2331)
-
𝑬 = 𝟎, 𝟗𝟑 con Radiografía completa.
Para 𝛿 “Coeficiente de Seguridad”
(Pág. 100 Texto MEC-2331)
𝜹 = 𝟐 Acero Fundido.
-
Para c “Aumento de espesor para tener desgaste y corrosión”
-
(Pág. 102 Texto MEC-2331)
𝑪=𝟐
Remplazando:
𝑆=
11 𝐵𝑎𝑟 ∙ 3064 𝑚𝑚
+ 2 [𝑚𝑚]
𝑘𝑔
21
∙
0,93
2
200 ∙ 𝑚𝑚2
− 11 𝐵𝑎𝑟
𝑆 = 19,36 [𝑚𝑚]
5. Espesor de los cabezales:
- Diámetro exterior:
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𝑫𝒆 = 𝑫𝒊 + 𝟐 ∙ 𝑺
𝐷𝑒 = 3064 𝑚𝑚 + 2 ∙ 19,36 𝑚𝑚 = 3102,72[𝑚𝑚]
𝐷𝑒 = 3102,72 [𝑚𝑚]
Espesores de fondos abombados sometidos a presión interna y externa efectivas:
𝑺=
𝑷𝒊 ∙ 𝑫𝒆 ∙ 𝜷
+ 𝑪 [𝒎𝒎]
𝑲
𝟒𝟎𝟎 ∙
𝜹
Para 𝛽 = 2:
𝑆=
11 𝐵𝑎𝑟 ∙ 3102,72 ∙ 2
+ 2 [𝑚𝑚]
21 𝐾𝑔/𝑚𝑚^2
400 ∙
2
𝑆 = 18,25 [𝑚𝑚]
∴ Por tanto, se aproxima 18,25 mm a 19,35 mm
𝑆 = 19 [𝑚𝑚] normalizado
Fondo abombado:
𝑹 = 𝟎, 𝟖 ∗ 𝑫 [𝒎𝒎]
𝑅 = 0,8 ∗ 3102,72 𝑚𝑚 = 2482,176 [𝑚𝑚]
𝑅 = 2482,176 [𝑚𝑚] ≅ 2,482[𝑚]
Presión autorizados efectivas:
𝑲
(𝑺 − 𝑪) ∙ 𝟒𝟎𝟎 ∙ ( )
𝜹 [𝑲𝒈/𝒎𝒎𝟐 ]
𝑷=
𝑫∙𝜷
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21 𝑘𝑔/𝑚𝑚2
)
(19 − 2)𝑚𝑚 ∙ 400 ∙ (
2
𝑃=
= 11,51 [𝐾𝑔/𝑚𝑚2 ]
3102,12 𝑚𝑚 ∙ 2
𝑃 = 11,51 [𝐾𝑔/𝑚𝑚2 ]
𝒓=
𝑟=
𝟏
∗ 𝑫 [𝒎𝒎]
𝟏𝟎
1
∗ 3102,72 𝑚𝑚 = 310,27 [𝑚𝑚]
10
𝑟 = 310,27 [𝑚𝑚]
6. Diseño de hogar:
𝑆
𝐷𝑖
𝐷ℎ
7. Volumen de la cámara de combustión:
Combustible: Gas Natural:
𝐾𝑐𝑎𝑙
]
𝑚3 ∙ ℎ
𝑸𝒄𝒂𝒍𝒅
→ 𝑽𝒉 =
𝒒𝒇
𝑞𝑓 = 0,6 ∙ 106 [
𝒒𝒇 =
𝑸𝒄𝒂𝒍𝒅
𝑽𝒉
𝑸𝒄𝒂𝒍𝒅 =
𝑄𝑐𝑎𝑙𝑑 =
𝑫(𝒉 − 𝒉𝒇 )
𝜼
1214,46 𝑘𝑔/ℎ ∙ (3051,2 − 83,96)𝑘𝐽/𝑘𝑔
1ℎ
∗
0,85
3600 𝑠
𝑄𝑐𝑎𝑙𝑑 = 1177,65 [𝑘𝑊]
3600 𝑠
1177,65 𝑘𝑊 ∙
𝑄𝑐𝑎𝑙𝑑
1ℎ
𝑉ℎ =
=
𝐾
4,184
𝑘𝐽
𝑞𝑓
0,6 ∙ 106 3𝑐𝑎𝑙 ∗ 1 𝐾
𝑚 ∙ℎ
𝑐𝑎𝑙
𝑉ℎ = 1.689 [𝑚3 ]
8. Diseño del hogar:
𝑫𝒉 = 𝑫𝒊 ∙ 𝟎, 𝟐 [𝒎𝒎]
Diámetro interno de la caldera o cámara de combustión: 𝐷𝑖 = 3064 [𝑚𝑚]
𝐷ℎ = 3064 𝑚𝑚 ∙ 0,2
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𝐷ℎ = 612,8 [𝑚𝑚] ≅ 0,6128[𝑚]
9. Longitud del Hogar:
𝐿ℎ
𝑽𝒉 =
𝐿ℎ =
𝝅 𝟐
∙𝑫 ∙𝑳
𝟒 𝒉 𝒉
4 ∙ 𝑉ℎ
4 ∙ 1.689 𝑚3
=
𝜋 ∙ 𝐷ℎ2 𝜋 ∙ (0,6128)2 𝑚2
𝐿ℎ = 5,73 [𝑚] = 5730 [𝑚𝑚]
10. Superficie de caldera cámara de combustión:
𝑺𝒉 = 𝝅 ∙ 𝑫𝒉 ∙ 𝑳𝒉
𝑆ℎ = 𝜋 ∙ 0,6128 𝑚 ∙ 5,73 𝑚
𝑆ℎ = 3.51 [𝑚2 ]
11. Superficie de los tubos:
𝑆𝑡 = 𝑆𝑐𝑎𝑙𝑑 − 𝑆ℎ
𝑆𝑡 = 46,046 𝑚2 − 3.51 𝑚2
𝑆𝑡 = 42,536 [𝑚2 ]
12. Numero de tubos:
𝑺𝒕 = 𝝅 ∙ 𝒅𝒕 ∙ 𝒏𝒕 ∙ 𝑳𝒕 → 𝒏𝒕 =
𝑺𝒕
𝝅 ∙ 𝒅𝒕 ∙ 𝑳𝒕
De catalogo:
𝒅𝒕 = 𝟐 [𝒑𝒖𝒍𝒈] ≅ 𝟓𝟎, 𝟖 [𝒎𝒎] ^ 𝑳𝒕 = 𝟓, 𝟖𝟎 [𝒎]
𝑛𝑡 =
42,536 𝑚2
𝜋 ∙ 0,0508 𝑚 ∙ 5,80 𝑚
𝑛𝑡 = 45,953 ≈ 46 𝑡𝑢𝑏𝑜𝑠
Material de tubos (Anexo del Texto MEC-2331):
material St35,8 II
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𝑡𝑙 = 175 [𝑚𝑚] ; 𝑡𝑢 = 240 [𝑚𝑚]
𝜎=
𝑡𝑙 − 𝑑 150 − 50,8
=
𝑡𝑙
150
𝜎 = 0,66
𝜎 = 2∗
𝑡𝑢 − 𝑑 240 − 50,8
=
𝑡𝑢
240
𝜎 = 1,58
4.3
EVALUACIÓN DE COSTOS
La evaluación de un caldero a vapor pirotubular implica considerar varios aspectos clave para
garantizar su eficiencia y seguridad operativa. Aquí hay algunos elementos importantes a tener en
cuenta:
Eficiencia térmica: Se debe evaluar la capacidad del caldero para generar vapor de manera eficiente
a partir del combustible utilizado. Esto implica medir la transferencia de calor del proceso de
combustión al agua dentro de los tubos del caldero.
Seguridad operativa: Se deben verificar los sistemas de seguridad del caldero, como las válvulas de
seguridad, los controles de presión y temperatura, así como los dispositivos de alarma y apagado
automático en caso de condiciones anormales de operación.
Durabilidad y resistencia mecánica: Es importante evaluar la resistencia estructural del caldero para
garantizar su integridad durante la operación a largo plazo, especialmente considerando las altas
temperaturas y presiones a las que está sometido.
Cumplimiento normativo: Se debe verificar que el caldero cumpla con las normativas y regulaciones
locales e internacionales aplicables en cuanto a seguridad, calidad y emisiones.
Eficiencia energética: Se debe evaluar el rendimiento global del caldero en términos de la cantidad
de vapor generado en relación con la cantidad de combustible utilizado, con el objetivo de
identificar oportunidades de mejora en la eficiencia energética.
Mantenimiento y facilidad de operación: Se deben considerar aspectos como la accesibilidad para
el mantenimiento, la facilidad de limpieza y la operación intuitiva del equipo para garantizar su
operación continua y segura.
Costo total de propiedad: Además de evaluar el costo inicial de adquisición, se deben considerar
los costos de operación, mantenimiento y reparación a lo largo de la vida útil del caldero para
determinar su verdadero valor económico.
5
PLANOS
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MAQUINAS TÉRMICAS I MEC-2331 “A”
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MAQUINAS TÉRMICAS I MEC-2331 “A”
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CONCLUSIONES
- El diseño conjunto de un caldero piro tubular, considerando tanto sus aspectos térmicos como
mecánicos, resulta fundamental para asegurar su eficiencia operativa y su durabilidad a largo plazo.
Al integrar ambas perspectivas, se puede optimizar el rendimiento del equipo, garantizando una
transferencia de calor adecuada y una resistencia estructural óptima. Además, la consideración de
los costos desde las etapas iniciales del diseño facilita la toma de decisiones económicas informadas,
permitiendo la selección de materiales y procesos de fabricación que balanceen eficazmente la
calidad y el costo. En última instancia, este enfoque integral no solo mejora la viabilidad técnica y
económica del proyecto, sino que también contribuye a la sostenibilidad y competitividad de la
operación en el largo plazo.
BIBLIOGRAFÍA
- Distral, Catálogo de calderas piroturbulares, https://www.delgadoyasociados.net/images/Distral%202019.pdf,
Acesso 09 de Junio de 2024.
- Ing. Jesús Gustavo Ugarte Rojas, TEXTO MEC-2331, Ed.UTO-FNI-MEC, Bolivia 2024.
- A. L. Kohan, Calderas, Ed. Mc Graw-Hill.
ANEXOS
Tabla 1 Ficha técnica del catálogo distral norma ASME
Tabla 2 Eficiencia efectiva
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