Diseño de Un Sistema de Distribución de Vapor

 

DISEÑO DE UN SISTEMA DE DISTRIBUCIÓN DE VAPOR I.  1.1. 

PLAN DE INVESTIGACIÓN: DESCRIPCIÓN DE LA REALIDAD PROBLEMÁTICA: PROBLEMÁTICA:

La planta piloto ubicada en la Institución Tecnológica Tecsup  – Norte  – Norte en la ciudad de Trujillo, cuenta con 4 equipos consumidores de vapor: Exhauster, Paila de cocción, Autoclave y Escaldado, las cuales sirven para diversos procesos industriales. Al observar la planta piloto, se observó que no tiene la correcta instalación de las tuberías, puesto que no presentan un cierto ángulo para evitar que el condensado llegue a la parte más baja y pueda ser desalojado. Así mismo se verificó que el sistema de aislamiento está para mantenimiento o cambio. Debido a esta realidad, es que el grupo se plantea realizar una optimización del proceso de distribución de vapor para aumentar la eficiencia del sistema en general.

1.2. 

DIAGNÓSTICO:

1.3. 

PRONÓSTICO:

1.4. 

CONTROL:

1.5. 

FORMULACIÓN DEL PROBLEMA:

 

II. 

OBJETIVOS:

2.1. 

OBJETIVO GENERAL:

2.2. 

OBJETIVOS ESPECÍFICOS: ESPECÍFICOS:

III. 

JUSTIFICACIÓN:

IV. 

MARCO TEÓRICO:

4.1. 

DISTRIBUCIÓN DE VAPOR:

EL sistema de distribución de vapor es un enlace importante entre la fuente generadora del vapor (una caldera en nuestro caso) y el usuario. La caldera debe proporcionar vapor de buena calidad en las condiciones de caudal y presión requeridas, y debe realizarlo con las mínimas pérdidas de calor y atenciones de mantenimiento. 4.2. 

FUNDAMENTOS DE LOS SISTEMAS DE VAPOR: 

Inicialmente habrá una o más tuberías principales que transporten el vapor de la caldera en la dirección de la planta de utilización de vapor y otras tuberías derivadas de las primeras, pueden transportar el vapor a los equipos consumidores individuales. Cuando la válvula de salida de la caldera está abierta, el vapor pasa inmediatamente de la caldera a las tuberías principales. La tubería está inicialmente fría y, por tanto, el vapor le transfiere calor. El aire que rodea las tuberías está más frío que el vapor y en consecuencial, la tubería transfiere calor al aire.

 

Como el vapor fluye hacia un medio más frío, comenzará a condensar inmediatamente. En la puesta en marcha del sistema, la cantidad de condensado será la mayor, debido a que el vapor se utiliza para el calentamiento de la tubería fría (a esto se le conoce como carga de puesta en marcha). Cuando la tubería se haya calentado, aún habrá condensación, ya que la tubería seguirá cediendo calor al aire que la rodea (esto se conoce por carga de funcionamiento). El condensado que resulta va a parar a la parte inferior de la tubería y es arrastrado a lo largo de ésta por el flujo de vapor y por la gravedad, debido al gradiente en la conducción de vapor que normalmente disminuirá en la dirección del flujo de vapor. Deberá entonces purgarse el condensado de los puntos bajos de la tubería de distribución. Cuando la válvula de la tubería de vapor que alimenta a un equipo de la planta está abierta, el flujo de vapor que proviene del sistema de distribución entra a la planta y de nuevo entra en contacto con superficies más frías. Entonces el vapor cede su energía para calentar el equipo y continúa transfiriendo calor al proceso y condensando en agua. En este momento hay un flujo continuo de vapor desde la caldera para satisfacer la carga conectada y para mantener este suministro deberá generarse más vapor. Para hacerlo, será necesario alimentar la caldera con c on más combustible y bombear más agua a su interior para reemplazar el agua que ha sido evaporada. El condensado formado tanto en la tubería de distribución como en los equipos de proceso, es agua ya caliente y preparada para la alimentación de la caldera. Aunque es importante evacuar el condensado del espacio del vapor, se trata de un elemento demasiado valioso como para permitirnos desaprovecharlo. El circuito de vapor básico debe completarse con el retorno del condensado al tanque de alimentación de la caldera, siempre que sea factible.

 

  Fig. 1. Circuito de vapor básico. Fuente: Spirax Sarco

4.3. 

PRESIÓN DE TRABAJO:

La presión a la que el vapor debe distribuirse está parcialmente determinada por el equipo de la planta que requiere una mayor presión. Debe recordarse que el vapor perderá una parte de su presión al pasar por la tubería, a causa de la resistencia de la tubería al paso del fluido, y a la condensación condensación por la cesión de calor a la tubería. tubería. Para seleccionar la presión de trabajo, debemos tener en cuenta: PRESIÓN DE TRABAJO

Caída de presión a lo largo de la tubería debida a la resistencia al paso del fluido

La presión requerida en el punto de utilización

4.4. 

DESCRIPCIÓN

GENERAL

DISTRIBUCIÓN DE VAPOR:

DE

LA

INSTALACIÓN

Pérdidas de calor en la tubería.

DEL

SISTEMA

DE

 

La instalación consta, como elemento principal un ambiente donde se encuentra la caldera de 20BHP. Desde allí mediante una red de tuberías circulará el flujo de vapor producido hasta los equipos consumidores que se encuentran en otro ambiente de la planta. El vapor de agua de salida de la caldera es vapor saturado, es decir en equilibrio con el agua líquida a la presión de trabajo. El vapor producido es conducido a un colector de alta presión, desde donde se distribuye mediante tubos de alta presión (SCH 40) fabricados con acero al carbono de calidad estructural, a los distintos aparatos consumidores. Las tuberías se dispondrán sobre unos soportes que garanticen tanto la sustentación de dichas tuberías, como los esfuerzos que pudiesen producirse debido a las dilataciones, contracciones y posibles golpes de ariete. Con el fin de reducir la condensación del vapor durante su transporte, se aislarán las tuberías, aunque la condensación nunca se puede evitar completamente. Y para obtener una buena circulación de los condensados, las tuberías se deberán instalar con una ligera pendiente hacia los puntos donde se han de eliminar los condensados. La red de condensados dispondrá de purgadores y se deberá llevar un control de los mimos, puesto que son una pieza importante dentro de la instalación.

 

4.5.   4.5.

ELEMENTOS GENERALES DE LA INSTALACIÓN: ELEMENTOS GENERALES

DISTRIBUIDOR

PURGADORES

ESTACIÓN REDUCTORA DE PRESIÓN

Comprende la canalización entre el generador

Se trata de dispositivos para la

Se dispondrán en tramos horizontales las

de vapor y el arranque de las derivaciones hasta los puntos de consumo. Cuando existan varias canalizaciones próximas que alimenten a equipos que trabajen a la misma presión, el arranque de aquellas se efectuará en un colector común alimentado por el distribuidor.

evacuación de condensados en canalizaciones, estaciones reductoras de presión, estaciones reguladoras de temperatura y aparatos utilizadores.

canalizaciones que alimenten aquellos equipos de vapor cuya presión sea inferior a la del generador. Para equipos de consumo próximo entre sí y alimentado desde un mismo colector, cuyas presiones de utilización coincidan, se utilizará una sola estación reductora colocada delante del colector.

DERIVACIONES Y RAMALES

RED DE RETORNO DE CONDENSADOS

Las derivaciones son las conducciones que parten del distribuidor o de un colector y alimentan a los aparatos de consumo directamente a través de ramales finales.

Se denomina así al conjunto de canalizaciones de evacuación de condensados desde los puntos de purga hasta el depósito de recogida de condensados. En esta canalización se evitará, siempre que sea posible, los tramos verticales ascendentes.

VÁLVULAS DE SEGURIDAD

Se instalarán para evitar sobrepresiones accidentales que puedan deteriorar la instalación. La tubería descargacuando podrá verter directamente a lade atmósfera no exista la posibilidad de que la descarga de vapor, en caso de entrada en funcionamiento de la válvula, pueda producir daños a personas

 

V.  5.1. 

DESARROLLO: DIMENSIONAMIENTO DE TUBERÍAS DE VAPOR:

Se utilizarán tubos de alta presión (SCH 40) fabricados con acero al carbono según normas ASTM. Para cálculo de las redes de tuberías se tomará como temperatura de diseño la máxima del fluido a transportar y como presión la máxima total en la instalación, que será igual a la presión de tarado de las válvulas de seguridad instaladas en la ca caldera ldera y en el eq equipo uipo reductor de presión.

Las presion presiones es y

temperaturas de salida de vapor son 13 bar y 190°C. El vapor es un fluido que circula a grandes velocidades, en comparación con otros fluidos líquidos, pero se estima que oscilan entre 20 y 50 m/s. Parar dichos casos se ha

tomado la velocidad es 25m/s, pues es una velocidad a la que se d debe ebe restringir para tener menores pérdidas. (Vapor flash). f lash). EQUIPO CONSUMIDOR DE VAPOR

CONSUMO

PRESIONES DE TRABAJO

EXHAUSTER PAILA DE COCCIÓN AUTOCLAVE ESCALDADO

PRODUCCIÓN TOTAL DE VAPOR:

300 BHP

El caballo caldera como definición teórica es la producción de 15.64 kilogramos por hora de vapor saturado desde 100°C y a una presión de 1 atmósfera.

→ ̇ = 300  115.5.64 = 4692 //ℎℎ

 = 1.303 kg/s

De tablas de vapor, encontramos que a 7 bar (presión que va a transportar por la tubería el flujo) = 0.24 m 3/kg

 

USANDO LA FÓRMULA:  

Una vez obtenidos estos datos, reemplazamos los valores en la siguiente ecuación para determinar el caudal volumétrico.

 

 =  ̇ →  ̇ =   

 

Luego, de la ecuación de velocidad de un fluido, procedemos a determinar el diámetro de la tubería.  

→==       

4 =  = √ 4  

 

 

Para el cálculo de las pérdidas de presión, se utilizará la fórmula dada por la casa comercial Spirax Sarco.

5.2. 

AISLAMIENTO TÉRMICO DE TUBERÍAS:

La red de distribución de vapor es el conjunto de elementos que unen el generador de vapor y los equipos de consumo. Los sistemas de vapor tienen pérdidas de energía que representa una ineficiencia, por lo que las tuberías deben ser aisladas para limitar dichas pérdidas. Independiente de la calidad o espesor del aislamiento, siempre habrá un nivel de pérdida de calor, y esto hará que el vapor se condense a lo largo del sistema principal. El espesor del aislamiento en estas tuberías, será el máximo que garantice para las condiciones de uso de las tuberías más extremadas, que un operario al tocarlas, no se produzca daños por quemaduras, estimándose esta temperatura en 35ºC como

 

máximo, y además, que la pérdida de temperatura por enfriamiento, no haga condensar al vapor en el interior de la tubería por la que circula, para ello el aislamiento deberá estar pegado a la tubería. El material del aislante será de lana de vidrio con forma cilíndrica y estructura concéntrica. Llevan practicada un corte en su generatriz para permitir su apertura y de esta forma su colocación sobre la tubería, irán provistas de un recubrimiento de aluminio reforzado con una lengüeta autoadhesiva que permite el fácil cierre. El material es de la casa ISOBER denominado coquilla, con las siguientes características.

 

Reacción al fuego: Clasificado M0. (no combustible.)

 

Temperatura límite de empleo: Desde – Desde  –30 30 °C hasta 250 °C en régimen continuo.

 

Comportamiento al agua: No hidrófilo.

 

Dilatación y contracción: Material totalmente estable.

 

Corrosión: No corrosivo. Según ASTMC-795 y C-877.1. 

Aplicaremos la teoría de la transmisión del calor por convección, mediante la expresión:  

Tubería sin aislamiento: aislamiento:

 

 =   ((−))  .  +  + .   

Tubería con aislamiento: aislamiento:

 

 =  ( − ) ) + .  . + ((

 

Dónde:  

q/l = Calor transmitido por metro lineal (W/h.m)

 

T1 = temperatura del vapor (ºC)

 

T3 = temperatura exterior del aislante

 

T4 = temperatura ambiente.

 

r1 = radio interno de la tubería (m)

 

r2 = radio externo de la tubería (m)

 

r3 = radio externo del aislamiento

 

hint = coef. película vapor-acero (W/m2K)

 

hext = coef. película tubería-aire

 

kacero = conductividad del acero será; 58 W/m.K

 

kaislante = conductividad del aislante, que para lana de vidrio a utilizar, será de 0'046 W/m.K