Proyecto Final Instalaciones Mecanicas.docx

UNIVERSIDAD DE SAN CARLOS DE GUATEMALA

FACULTAD DE INGENIERÍA ESCUELA DE MECÁNICA ING. ROBERTO GUZMAN

PROYECTO DE EXAMEN FINAL

INTEGRANTES Marco Junio Castañaza Medina Allan Ruben Francisco Rivas

CARNET 201213327 201212681

FECHA: 6 DE NOVIEMBRE DEL 2018

PROYECTO DE EXAMEN FINAL

INTRODUCCION En la industria el uso de una caldera de vapor de agua se hace indispensable para innumerables aplicaciones, provocando que sea un elemento en el cual gira el funcionamiento de toda una empresa. En la mayoría de aplicaciones el vapor de agua producido será utilizado dentro de algún proceso, lo cual hace que se tengan distintos requerimientos. Es por eso que en el presente trabajo se desarrolla el diseño de un sistema de distribución de vapor mediante los requerimientos que se tengan según la maquinaria que se planea utilizar. Se debe seleccionar el equipo justo, que no sea tan pequeño, que no cumpla la demanda o tan grande que se desperdicie su capacidad y no sea aprovechada. Generando en ambos casos, una mala optimización de recursos. Sin ser menos importante, se necesita un apropiado diseño y distribución de las redes de vapor que alimentan a las máquinas que requieren de distintos consumos de vapor. Un factor muy importante dentro de las redes de vapor son las trampas de vapor, que como todo equipo, deben ser seleccionadas para cada una de las aplicaciones, tocando un factor importante en la eficiencia del sistema.

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PROYECTO DE EXAMEN FINAL

OBJETIVOS

GENERAL 

Diseñar un sistema de distribución de vapor completo incluyendo accesorios y realizar los debidos cálculos para determinar los cálculos.

ESPECIFICOS 1. Determinar las dimensiones así como la capacidad del sistema de distribución de, esto incluye las líneas de distribución y la caldera del sistema. 2. Optimizar la línea de distribución de tal forma que se disminuyan las pérdidas de calor a lo largo de la red de tuberías y la pérdida económica que genera. 3. Definir Analizar y seleccionar un material aislante con el fin de obtener una menor cantidad de pérdidas de calor a lo largo de la red de tubería. 4. Realizar una selección adecuada de la cantidad y los tipos de accesorios, los tipos de soportes y el tipo de aislamiento a emplearse dentro de la red de distribución hasta el punto de servicio.

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PROYECTO DE EXAMEN FINAL

JUSTIFICACIÓN

El hacer este proyecto es de gran ayuda para uno como estudiante de la facultad de ingeniería y para conocer más sobre como se desenvuelve un ingeniero mecánico al momento de aplicar sus conocimientos en proyectos que se le presentaran día a día en los quehaceres de su trabajo. Para realizar el presente proyecto se debe a la distribución de líneas de vapor e implementación de un equipo de generación de vapor, la cual requiere la distribución de tuberías que se ajuste a la capacidad de producción de vapor del equipo y que satisfaga la demanda en los puntos. La realización de este proyecto es importante para el estudiante de ingeniería mecánica dado que le provee de conocimientos que le ayudaran en su trayectoria como profesional para la realización de proyectos y/o la planeación de los mismos, en el presente proyecto se presentan los lineamientos básicos e indispensables para la creación de tuberías, montajes, conformación y armado de sistemas industriales de calefacción, enfriamiento o vapor.

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PROYECTO DE EXAMEN FINAL MARCO PRÁCTICO DATOS  Longitud de tuberías a punto de consumo  Línea principal va a viales cozzolli, lavadora de ampollas criofarma y un autoclave  Línea 1 a autoclave vertical y marmita.  Línea 2 a lavadora de tapones y lavadora de viales  Línea 3 planchadora de rodillos, 3 secadoras de ropa, 3 planchas de uniformes y 2planchas de cuello  Longitud de tuberías     

Longitud de caldera a manifold 21 pies Longitud principal 53 pies Línea 1 50 pies Línea 2 28 pies Línea 3  Longitud de Manifold a planchadora de rodillos 85 pies  Longitud de punto de desvío de suministro de plancha de rodillos a secadoras y planchas de forma, longitud total 125 pies.

 Accesorios básicos de las líneas de distibución:  Caldera a manifold: 2 válvulas de paso o de compuerta, 2 codos 900 radio estándar  Línea principal: 2 válvulas reguladoras de presión, 1 válvula de compuerta, 6 codos 900, 2 te flujo a lo largo.  Línea 1: 1 válvula reguladora de presión, 1 válvula de compuerta, 4 codos 900, 1 te de flujo largo.  Línea 2: 2 válvulas reguladoras de presión, 1 válvula de compuerta, 3 codos 900, 1 te de flujo a 900.  Línea 3:  De manifold a planchadora de rodillos: 3 codos 900, 1 válvula de compuerta, 1 te de flujo a 900.  De punto de desvío de planchadora de rodillos a demás equipos: 1 válvula de compuerta, 2 codos 900, 8 te de flujo largo  Presiones de consumo:    

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Equipos línea principal: 15 psig Equipos línea 1: 60 psig Equipos línea 2: 40 psig Equipos línea 3: 90 psig

PROYECTO DE EXAMEN FINAL  Los equipos consumen vapor saturado  Jornada Laboral: de 5 a 19 horas  Requerimientos Equipos

Consumo unitario de vapor (lb/h)

Autoclave

720

Lavadora de ampollas Lavadora de viales cozzolli

Consumo total (lb/h)

Observaciones Incluye carga de calentamiento Incluye carga de calentamiento Incluye carga de calentamiento Incluye carga de calentamiento Incluye carga de calentamiento Incluye carga de calentamiento Incluye carga de calentamiento

420 360

Marmita

600

Autoclave vertical

450

Lavadora de tapones

540

Lavadora de viales

480

3 Planchadoras de formas o uniformes

650

1950

2 Planchadores de cuellos

350

700

3 Secadoras de ropa

800

2400

1 Planchadora de rodillos

950

950

Incluye carga de calentamiento Incluye carga de calentamiento Incluye carga de calentamiento No incluye carga de calentamiento

LONGITUD EQUIVALENTE DEBIDA A ACCESORIOS DE TUBERIA 𝐥𝐨𝐧𝐠. 𝐞𝐪𝐮 = 𝐥𝐢𝐧 + 𝟐𝟓 ∗ (𝐭𝐨𝐭𝐚𝐥 𝐝𝐞 𝐜𝐨𝐝𝐨)(

𝐝 ) 𝟏𝟐

Caldera-manifold Asumiendo un diámetro general de 4¨ pulg Longitud de caldera a minifold = 21 pies Accesorios Válvula de compuerta Codos 90º

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Cantidad

Codo

Total de codos

2

0.5

1

2

1

2

PROYECTO DE EXAMEN FINAL Total de codos

3

4 long. equ = 21 + 25 ∗ (3) ( ) = 𝟒𝟔 𝐩𝐢𝐞𝐬 12

Línea principal: Asumiendo un diámetro general de 4¨ pulg Longitud = 53 pies Accesorios válvulas reguladoras Codos 90º válvula de compuerta te flujo

Cantidad 2

Codo 2

Total de codos 4

6 1

1 0,5

6 0.5

2 Total de codos

1,8

3,6 14.1

4 long. equ = 53 + 25 ∗ (14.1) ( ) = 𝟏𝟕𝟎. 𝟓𝐩𝐢𝐞𝐬 12 Línea 1: Asumiendo un diámetro general de 4¨ pulg Longitud = 50 pies Accesorios válvulas reguladoras Codos 90º válvula de compuerta te flujo

Cantidad 1

Codo 2

Total de codos 2

4 1

1 0,5

4 0.5

1 Total de codos

1,8

1.8 8.3

4 long. equ = 50 + 25 ∗ (8.3) ( ) = 𝟏𝟏𝟗. 𝟏𝟕. 𝟓𝐩𝐢𝐞𝐬 12 Línea 2:

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PROYECTO DE EXAMEN FINAL Asumiendo un diámetro general de 4¨ pulg Longitud = 28 pies Accesorios válvulas reguladoras Codos 90º válvula de compuerta te flujo 90º

Cantidad 2

Codo 2

Total de codos 4

3 1

1 0,5

3 0.5

1 Total de codos

4

4 11.5

4 long. equ = 28 + 25 ∗ (11.5) ( ) = 𝟏𝟐𝟑. 𝟖𝟑𝐩𝐢𝐞𝐬 12 Línea 3: De manifold a planchadora de rodillos: 3 codos 90°, 1 válvula de compuerta, 1 te de flujo a 90°. Asumiendo un diámetro general de 4¨ pulg Longitud = 85 pies Accesorios Codos 90º válvula de compuerta te flujo 90º

Cantidad 3 1

Codo 1 0,5

1 Total de codos

4

Total de codos 3 0.5 4 7.5

4 long. equ = 85 + 25 ∗ (7.5) ( ) = 𝟏𝟒𝟕. 𝟓𝐩𝐢𝐞𝐬 12

De punto de desvío de planchadora de rodillos a demás equipos: 1 válvula de compuerta, 2 codos 90°, 8 te de flujo largo. Asumiendo un diámetro general de 4¨ pulg Longitud = 125 pies

8

PROYECTO DE EXAMEN FINAL Accesorios Codos 90º válvula de compuerta te flujo

Cantidad 2

Codo 1

Total de codos 2

1

0,5

0.5

8 Total de codos

1.8

14.4 16.9

4 Long. equ = 125 + 25 ∗ (16.9) ( ) = 𝟐𝟔𝟏. 𝟔𝟕𝐩𝐢𝐞𝐬 12

DETERMINACIÓN DE LOS DIAMETROS DE LAS LÍNEAS DE DISTRIBUCIÓN

Equipos L1 L2 L3.1 L3.2

Cantidad 1 1 1 1

Consumo (lb/h) 1500 1050 1020 11050

NOTA: LOS SIGUIENTES CÁLCULOS SON BASADOS EN LA TABLA 7.5 Y EN LA ECUACIÓN DE BABCOCK 𝒘 = (𝑪𝒐𝒍𝟏)(𝑪𝒐𝒍𝟐)(𝑪𝒐𝒍𝟑)(𝑪𝒐𝒍𝟒)

Caldera-manifold Datos Longitud de tubería = 21 𝑝𝑖𝑒𝑠 = 𝐿𝑒 = 46 𝑝𝑖𝑒𝑠 Presión de consumo = 122 𝑝𝑠𝑖 𝑚 Velocidad de diseño = 25 𝑠 𝑙𝑏

Flujo= 9570 ℎ

9570

𝑙𝑏 1ℎ 𝑙𝑏 ∗ = 159.5 ℎ 60𝑚𝑖𝑛 𝑚𝑖𝑛

𝐶𝑜𝑙1 = 0.5 ∗

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𝑙𝑒 𝑜𝑛𝑧 ∗ 16 100 𝑙𝑏

PROYECTO DE EXAMEN FINAL 𝐶𝑜𝑙1 = 0.5 ∗

46 𝑜𝑛𝑧 ∗ 16 = 3.68 ≅ 4 100 𝑙𝑏

De tabla Col1: 4 =4.350 Col 3: 122Psi ≅ 0.556 Col4: 46 pies≅ 1.290 159.5 = 51.12 ≅ (4.350)(0.556)(1.290) 𝝓 = 𝟓 𝒑𝒖𝒍𝒈

Línea principal: Datos Longitud de tubería = 53 𝑝𝑖𝑒𝑠 = 𝐿𝑒 = 170.5 𝑝𝑖𝑒𝑠 Presión de consumo = 15 𝑝𝑠𝑖 𝑚 Velocidad de diseño = 25 𝑠 𝑙𝑏

Flujo= 1500 ℎ

1500

𝑙𝑏 1ℎ 𝑙𝑏 ∗ = 25 ℎ 60𝑚𝑖𝑛 𝑚𝑖𝑛

𝐶𝑜𝑙1 = 0.5 ∗

𝐶𝑜𝑙1 = 0.5 ∗

𝑙𝑒 𝑜𝑛𝑧 ∗ 16 100 𝑙𝑏

170.5 𝑜𝑛𝑧 ∗ 16 = 13.64 ≅ 14 100 𝑙𝑏

De tabla Col1: 14 =8.138 Col 3: 15Psi ≅ 0.269 Col4: 170.5 pies≅ 0.710 25 = 16.08 (8.138)(0.710)(0.269) 𝝓 = 𝟒 𝒑𝒖𝒍𝒈

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PROYECTO DE EXAMEN FINAL Línea 1 Datos Longitud de tubería = 50 𝑝𝑖𝑒𝑠 = 𝐿𝑒 = 119.17 𝑝𝑖𝑒𝑠 Presión de consumo = 60 𝑝𝑠𝑖 𝑚 Velocidad de diseño = 25 𝑠 𝑙𝑏

Flujo= 1050 ℎ

1050

𝑙𝑏 1ℎ 𝑙𝑏 ∗ = 17.5 ℎ 60𝑚𝑖𝑛 𝑚𝑖𝑛

𝐶𝑜𝑙1 = 0.5 ∗ 𝐶𝑜𝑙1 = 0.5 ∗

𝑙𝑒 𝑜𝑛𝑧 ∗ 16 100 𝑙𝑏

119.17 𝑜𝑛𝑧 ∗ 16 = 9.53 ≅ 10 100 𝑙𝑏

De tabla Col1: 10 =6.738 Col 3: 60 Psi ≅ 0.414 Col4: 119.17 pies≅ 0.912

𝑤 = (𝐶𝑜𝑙2) (𝐶𝑜𝑙1)(𝐶𝑜𝑙2)(𝐶𝑜𝑙3)(𝐶𝑜𝑙4 17.5 = 6.738 ≅ (0.414)(6.878)(0.912) 𝝓 = 𝟑 𝒑𝒖𝒍𝒈

Línea 2 Datos Longitud de tubería = 28 𝑝𝑖𝑒𝑠 = 𝐿𝑒 = 123.83 𝑝𝑖𝑒𝑠 Presión de consumo = 40 𝑝𝑠𝑖 𝑚 Velocidad de diseño = 25 𝑠 𝑙𝑏

Flujo= 1020 ℎ

1020

𝑙𝑏 1ℎ 𝑙𝑏 ∗ = 17.5 ℎ 60𝑚𝑖𝑛 𝑚𝑖𝑛

𝐶𝑜𝑙1 = 0.5 ∗

11

𝑙𝑒 𝑜𝑛𝑧 ∗ 16 100 𝑙𝑏

PROYECTO DE EXAMEN FINAL 𝐶𝑜𝑙1 = 0.5 ∗

123.83 𝑜𝑛𝑧 ∗ 16 = 9.91 ≅ 10 100 𝑙𝑏

De tabla Col1: 20 =9.727 Col 3: 40 Psi ≅ 0.357 Col4: 123.83 pies≅ 0.841

𝑤 = (𝐶𝑜𝑙2) (𝐶𝑜𝑙1)(𝐶𝑜𝑙2)(𝐶𝑜𝑙3)(𝐶𝑜𝑙4 17 = 5.82 ≅ (0.357)(6.878)(0.841) 𝝓 = 𝟐𝟏𝟐 𝒑𝒖𝒍𝒈

Línea 3.1 Datos Longitud de tubería = 85 𝑝𝑖𝑒𝑠 = 𝐿𝑒 = 147.5 𝑝𝑖𝑒𝑠 Presión de consumo = 90 𝑝𝑠𝑖 𝑚 Velocidad de diseño = 25 𝑠 𝑙𝑏

Flujo= 950 ℎ

950

𝑙𝑏 1ℎ 𝑙𝑏 ∗ = 15.83 ℎ 60𝑚𝑖𝑛 𝑚𝑖𝑛

𝐶𝑜𝑙1 = 0.5 ∗

𝐶𝑜𝑙1 = 0.5 ∗

𝑙𝑒 𝑜𝑛𝑧 ∗ 16 100 𝑙𝑏

147.5 𝑜𝑛𝑧 ∗ 16 = 11.8 ≅ 12 100 𝑙𝑏

De tabla Col1: 12 =7.534 Col 3: 90 Psi ≅ 100 𝑃𝑠𝑖 = 0.506 Col4: 147.5 pies≅ 0.793

𝑤 = (𝐶𝑜𝑙2) (𝐶𝑜𝑙1)(𝐶𝑜𝑙2)(𝐶𝑜𝑙3)(𝐶𝑜𝑙4 17 = 5.236 ≅ (7.534)(0.506)(0.793)

12

PROYECTO DE EXAMEN FINAL 𝝓 = 𝟐𝟏𝟐 𝒑𝒖𝒍𝒈

Línea 3.2 Datos

Longitud de tubería = 125 𝑝𝑖𝑒𝑠 = 𝐿𝑒 = 261.67 𝑝𝑖𝑒𝑠 Presión de consumo = 90 𝑝𝑠𝑖 𝑚 Velocidad de diseño = 25 𝑠 𝑙𝑏

Flujo= 11050 ℎ

11050

𝑙𝑏 1ℎ 𝑙𝑏 ∗ = 184.17 ℎ 60𝑚𝑖𝑛 𝑚𝑖𝑛

𝐶𝑜𝑙1 = 0.5 ∗ 𝐶𝑜𝑙1 = 0.5 ∗

𝑙𝑒 𝑜𝑛𝑧 ∗ 16 100 𝑙𝑏

261.67 𝑜𝑛𝑧 ∗ 16 = 20.93 ≅ 24 100 𝑙𝑏

De tabla Col1: 24 =10.635 Col 3: 90 Psi ≅ 100 𝑃𝑠𝑖 = 0.506 Col4: 261.67pies≅ 0.578

𝑤 = (𝐶𝑜𝑙2) (𝐶𝑜𝑙1)(𝐶𝑜𝑙2)(𝐶𝑜𝑙3)(𝐶𝑜𝑙4

184.17 = 59.21 ≅ (10.635)(0.506)(0.578) En base a la tabla 7,5 de la col 2 se tiene un diámetro de 6 pulg 𝝓 = 𝟔 𝒑𝒖𝒍𝒈

DIAMETRO DEL MANIFOLD NOTA: PARA HALLAR EL DIÁMETRO DEL MNIFOLD SE UTILIZA LA ECUACIÓN ∅ = √∅𝟏 + ∅𝟐 + ∅𝟑+ + ⋯ ∅𝐧 ∅1 = Diametro del manifold a la caldera = 5 pulgadas ∅2 = Diametro de la linea principal = 3.5 pulgadas ∅3 = Diametro de la linea 1 = 3 pulgadas

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PROYECTO DE EXAMEN FINAL ∅4 = Diametro de la linea 2 = 2.5 pulgadas ∅5 = Diametro de la linea 2 = 2.5 pulgadas.

Luego de sustituir los datos: ∅B = 7.6 pulgs. ≅ 𝟖 𝐩𝐮𝐥𝐠𝐬

CALCULO DE LA POTENCIA DE LA CALDERA Para hallar la cantidad de BHP necesarios de la caldera, se ha utilizado la siguiente expresión: BHP =

mv ∗ (hg − hf ) 34.4 ∗ hfg

Donde: Mv = es el flujo másico del vapor Hg = entalpia del agua a la presión de la caldera, presión de 8.4 bar Hf = Entalpia del agua a la temperatura de suministro de 85° F Hfg = entalpia de vaporización del agua a 212°F De esto se obtiene lo siguiente: 𝐵𝐻𝑃 =

(9570) ∗ (1191.06 − 53.06) = 325.61 34.5 ∗ 970.09

CAPACIDAD DE LA CALDERA:

𝐵𝐻𝑃 = 325 +20% = 390

CARGA DE CALENTAMIENTO Planchadora de rodillo 950

14

𝑙𝑏 𝑙𝑏 ∗ 15% = 142.5 ℎ ℎ

PROYECTO DE EXAMEN FINAL Entalpía a 100psi. 142.5

𝑙𝑏 𝐵𝑡𝑢 𝐵𝑡𝑢 ∗ 886.216 = 126285.64 ℎ 𝐿𝑏 ℎ

Con el dato anterior estimamos BHP del final de la tubería: 𝐵𝐻𝑃𝑐𝑜𝑙𝑎 =

126285.64 = 3.767 3.352 ∗ 104

Estimando BHP bruto 𝐵𝐻𝑃𝑏𝑟𝑢𝑡𝑜 = 𝐵𝐻𝑃𝑑𝑖𝑠𝑒ñ𝑜 + 𝐵𝐻𝑃𝑝𝑟𝑒𝑐𝑎𝑙𝑒𝑛𝑡𝑎𝑚𝑖𝑒𝑛𝑡𝑜

𝐵𝐻𝑃𝑏𝑟𝑢𝑡𝑜 = 390 + 3.767 = 𝟑𝟗𝟑. 𝟕𝟕

CAPACIDAD DEL TANQUE DE CONDENSADO Considerando que 1 BHP se vaporiza a 34.5 lb 𝐻2 𝑂/ ℎ, realizamos una conversión

34.5 𝑙𝑏

𝐻2𝑂 1 𝑔𝑎𝑙𝑜𝑛 𝐻2𝑂 𝑔𝑎𝑙 1ℎ 𝑔𝑎𝑙 𝐻2 𝑂 ∗ = 4.13 ∗ = 0.068 ℎ 8.345 𝑙𝑏 𝐻2 𝑂 ℎ 60min min

Considerando el tiempo requerido aproximado para un tanque de condensado es de 15 minutos para llevar a cabo el proceso de generación, entonces: 𝑉𝑡𝑎𝑛𝑞𝑢𝑒 = 0.0688

𝑔𝑎𝑙 𝐻2𝑂 ∗ 15 𝑚𝑖𝑛 = 1.032 𝑔𝑎𝑙 𝐻2 𝑂 𝑚𝑖𝑛

Con esto estimamos el volumen de agua vaporizar 𝑉𝐻2 𝑂 𝑣𝑎𝑝𝑜𝑟𝑖𝑧𝑎𝑟 = 393.77 ∗ 1.032 𝑔𝑎𝑙 𝐻2𝑂 = 406.37 𝑔𝑎𝑙 𝐻2 𝑂 Con los datos anteriores se puede estimar el volumen del tanque de condensado considerando que el agua únicamente ocupara el 70% del tanque, entonces: Volumentotal =

15

VH2O ∗ 100% 70%

PROYECTO DE EXAMEN FINAL Volumentotal = 406.37 ∗

100 = 580.53 galones de H2 O 70

𝐕𝐨𝐥𝐮𝐦𝐞𝐧𝐭𝐨𝐭𝐚𝐥 = 𝟓𝟖𝟎. 𝟓𝟑 𝐠𝐚𝐥𝐨𝐧𝐞𝐬 𝐝𝐞 𝐇𝟐 𝐎 DIMENSIONES DEL TANQUE CONDENSADOR Para calcular el tanque condensador o que contendrá el agua para la caldera, se debe considerar la potencia, un tiempo de 15 min, obteniendo lo siguiente: 𝑉𝑜𝑙𝑒𝑠𝑝. |

100 𝑝𝑠𝑖

𝑉𝑜𝑙𝑎𝑔𝑢𝑎

= 0.01774

(𝑝𝑖𝑒)3 𝑙𝑏

𝑙𝑏 34.5 (𝑝𝑖𝑒)3 1ℎ ℎ = (393.77 𝐵𝐻𝑃) ∗ ( ) ∗ (15 𝑚𝑖𝑛 ∗ ) ∗ (0.01774 ) 1𝐵𝐻𝑃 60 min 𝑙𝑏 = 60.25 (𝑝𝑖𝑒)3

Considerando que el agua únicamente ocupara un 70% del volumen total del elemento, se obtiene lo siguiente: 𝑉𝑜𝑙𝑎𝑔𝑢𝑎−𝑟𝑒𝑎𝑙 =

60.25 ∗ 100 = 86.07 (𝑝𝑖𝑒)3 70

Para el diseño del tanque se debe considerar que la longitud debe ser 3 veces las dimensiones del diámetro obtenido, por lo tanto: 𝐿 = 3𝜙 𝑉𝑐𝑖𝑙𝑖𝑛𝑑𝑟𝑜 = 𝜋 ∗ 𝑟 2 ∗ 𝐿 𝑉𝑐𝑖𝑙𝑖𝑛𝑑𝑟𝑜 = 𝜋 ∗ 𝑟 2 ∗ (6 ∗ 𝑟) = 6𝜋 ∗ 𝑟 3 1

60.25(𝑝𝑖𝑒𝑠)3 3 𝑅=( ) = 1.48 𝑝𝑖𝑒𝑠 6𝜋

Con este dato, entonces estimamos el valor de longitud: 𝐿 = 6 ∗ 𝑟 = 6 ∗ 1.48 = 8.88 𝑝𝑖𝑒𝑠

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PROYECTO DE EXAMEN FINAL 𝑳 = 𝟖. 𝟖𝟖 𝒑𝒊𝒆𝒔

DETERMINACIÓN DEL ESPESOR DE LAS LÍNEAS DE DISTRIBUCIÓN

𝑡𝑚 =

𝑝∗𝑑 𝑔∗𝑠

+0.17

𝑘𝑔

Asumiendo el valor S =11.4𝑐𝑚 , la gravedad de 981 𝑐𝑚/𝑠 y 12.5%

Caldera-Manifold 𝑘𝑔 𝑐𝑚2 = 8.54 𝑘𝑔 𝑃 = 122 𝑝𝑠𝑖 ∗ 14.7 𝑝𝑠𝑖 𝑐𝑚2 1.029

5 𝑝𝑢𝑙𝑔 =

𝑡𝑚 =

1 𝑝𝑖𝑒 1𝑚 100 𝑐𝑚 ∗ ∗ = 12.70 𝑐𝑚 12 𝑝𝑢𝑙𝑔 3.28 𝑝𝑖𝑒 1𝑚

8.54 ∗ 12.70 8.54 ∗ 12.70 + 0.17 + ( ∗ 12.5%) = 𝟎. 𝟐𝟎𝟐𝟎 𝒄𝒎 981 ∗ 11.4 981 ∗ 11.4

Línea Principal 𝑘𝑔 𝑐𝑚2 = 1.05 𝑘𝑔 𝑃 = 15 𝑝𝑠𝑖 ∗ 14.7 𝑝𝑠𝑖 𝑐𝑚2 1.029

4 𝑝𝑢𝑙𝑔 =

𝑡𝑚 =

17

1 𝑝𝑖𝑒 1𝑚 100 𝑐𝑚 ∗ ∗ = 10.16 𝑐𝑚 12 𝑝𝑢𝑙𝑔 3.28 𝑝𝑖𝑒 1𝑚

1.05 ∗ 10.16 1.05 ∗ 10.16 + 0.17 + ( ∗ 12.5%) = 𝟎. 𝟏𝟗𝟐𝟏 𝒄𝒎 981 ∗ 11.4 981 ∗ 11.4

PROYECTO DE EXAMEN FINAL Línea 1 𝑘𝑔 2 𝑘𝑔 𝑐𝑚 𝑃 = 60 𝑝𝑠𝑖 ∗ = 4.20 2 14.7 𝑝𝑠𝑖 𝑐𝑚 1.029

3 𝑝𝑢𝑙𝑔 =

𝑡𝑚 =

1 𝑝𝑖𝑒 1𝑚 100 𝑐𝑚 ∗ ∗ = 7.62 𝑐𝑚 12 𝑝𝑢𝑙𝑔 3.28 𝑝𝑖𝑒 1𝑚

4.20 ∗ 7.62 4.20 ∗ 7.62 + 0.17 + ( ∗ 12.5%) = 𝟎. 𝟏𝟗𝟒𝟓 𝒄𝒎 981 ∗ 11.4 981 ∗ 11.4

Línea 2 𝑘𝑔 𝑐𝑚2 = 2.8 𝑘𝑔 𝑃 = 40 𝑝𝑠𝑖 ∗ 14.7 𝑝𝑠𝑖 𝑐𝑚2 1.029

212 𝑝𝑢𝑙𝑔 =

𝑡𝑚 =

1 𝑝𝑖𝑒 1𝑚 100 𝑐𝑚 ∗ ∗ = 6.35 𝑐𝑚 12 𝑝𝑢𝑙𝑔 3.28 𝑝𝑖𝑒 1𝑚

2.8 ∗ 6.35 2.8 ∗ 6.35 + 0.17 + ( ∗ 12.5%) = 𝟎. 𝟏𝟗𝟑𝟎 𝒄𝒎 981 ∗ 11.4 981 ∗ 11.4

Línea 3.1 𝑘𝑔 𝑐𝑚2 = 6.3 𝑘𝑔 𝑃 = 90 𝑝𝑠𝑖 ∗ 14.7 𝑝𝑠𝑖 𝑐𝑚2 1.029

212 𝑝𝑢𝑙𝑔 =

𝑡𝑚 =

18

1 𝑝𝑖𝑒 1𝑚 100 𝑐𝑚 ∗ ∗ = 6.35 𝑐𝑚 12 𝑝𝑢𝑙𝑔 3.28 𝑝𝑖𝑒 1𝑚

6.3 ∗ 6.35 6.3 ∗ 6.35 + 0.17 + ( ∗ 12.5%) = 𝟎. 𝟏𝟗𝟓𝟑 𝒄𝒎 981 ∗ 11.4 981 ∗ 11.4

PROYECTO DE EXAMEN FINAL

Línea 3.2 𝑘𝑔 2 𝑘𝑔 𝑐𝑚 𝑃 = 90 𝑝𝑠𝑖 ∗ = 6.3 2 14.7 𝑝𝑠𝑖 𝑐𝑚 1.029

6 𝑝𝑢𝑙𝑔 =

𝑡𝑚 =

1 𝑝𝑖𝑒 1𝑚 100 𝑐𝑚 ∗ ∗ = 15.24 𝑐𝑚 12 𝑝𝑢𝑙𝑔 3.28 𝑝𝑖𝑒 1𝑚

6.3 ∗ 15.24 6.3 ∗ 15.24 + 0.17 + ( ∗ 12.5%) = 𝟎. 𝟐𝟎𝟎𝟖 𝒄𝒎 981 ∗ 11.4 981 ∗ 11.4

NOTA: En base a los espesores calculados se tiene que para cada línea de tubería se necesita de uniones de soldadura cuando el espesor “t” es de 3/8 “ o menos

CALCULO DE AISLAMIENTO

PERDIDAS

EN

COMBUSTIBLE

CON

TUBERÍAS

NOTA: PARA CALCULAR EL ÁREA SUPERFIAL DE LA TUBERÍA

𝑨𝑺𝒖𝒑. = 𝝅∅𝑳 Donde: ∅= diámetro del tubo L= longitud del tubo



Tiempo de uso de la maquina: 18 [



ℎ 𝑑𝑖𝑎 ℎ ] ∗ 250 [ ] = 4500 [ ] 𝑑𝑖𝑎 𝑎ñ𝑜 𝑎ñ𝑜

Cambio de temperatura: 𝑇𝑒𝑥𝑡𝑒𝑟𝑖𝑜𝑟 = 24𝑜 𝐶 = 75.2𝑜 𝐹 𝑇𝑖𝑛𝑡𝑒𝑟𝑖𝑜𝑟 = 342.46𝑜 𝐹

19

SIN

PROYECTO DE EXAMEN FINAL ∆𝑇 = 342.46𝑜 𝐹 − 75.2𝑜 𝐹 = 267.26

Tramo

∅ [in]

L [ft]

Área [𝐟𝐭 𝟐 ]

Perdida 𝑩𝑻𝑼 [𝒉∗𝒇𝒕𝟐 𝑭]

Perdidas 𝑩𝑻𝑼 [ ] 𝒂ñ𝒐

5

46

60.21

1.18

136.98x106

CalderaManifold Línea principal Línea 1 Línea 2

4

107.2

178.55

2.55

556.52X106

3 1 22

119.17 123.83

93.6 81.05

2.31 2.37

268.80x106 238.81x106

Línea 3.1 Línea 3.2

22 6

147.5 261.67

96.54 411.03

2.51 4.03

301.25x106 2.059x109 𝐵𝑇𝑈 3.5617x109 [ ] 𝑎ñ𝑜

1

Calculo de galones de bunker utilizados 𝐵𝑇𝑈 3.5617x109 [ 𝑎ñ𝑜 ] 149.364 [

𝐵𝑇𝑈 ] 𝑔𝑎𝑙

= 23.845x103 [

𝑔𝑎𝑙 ] 𝑎ñ𝑜

Perdidas monetarias por mal aislamiento 23.845x103 [

𝑔𝑎𝑙 𝑄 𝑄 ] ∗ 12.25 [ ] = 292109 [ ] 𝑎ñ𝑜 𝑔𝑎𝑙 𝑎ñ𝑜

CONSUMO DE COMBUSTIBLE SEGÚN LA CALDERA CON EFICIENCIA DEL 85%. Caldera de 390BHP Tiempo de utilización anualmente 250 dias, 18 horas al día, Con un costo de combustible bunker de Q12.25/gal asumiendo que el combustible bunker tiene un poder calorífico de 149,364BTU/gal. A. Energía consumida por hora de la caldera. (390𝐵𝐻𝑃) × (34.5

20

𝐿𝑏𝑎𝑔𝑢𝑎 𝐵𝑇𝑈 𝐵𝑇𝑈 ) × (970.3 ) = 13,055,387 𝐵𝐻𝑃 𝐿𝑏𝑚 ℎ

PROYECTO DE EXAMEN FINAL 13,055,387 𝐵𝑇𝑈/ℎ 𝑩𝑻𝑼 = 𝟏𝟓, 𝟑𝟓𝟗, 𝟐𝟕𝟖 0.85 𝒉

B. Cantidad de combustible necesario para operar por hora. 𝐵𝑇𝑈 ℎ = 𝟏𝟎𝟐. 𝟖𝟑 𝒈𝒂𝒍 𝐵𝑇𝑈 𝒉 149,364 𝑔𝑎𝑙

15,359,278

C. Costo de operación anual. 102.83

𝑔𝑎𝑙 ℎ 𝑄12.25 × 18 × 250 𝑑𝑖𝑎𝑠 × = 𝑸𝟓, 𝟔𝟔𝟖, 𝟓𝟎𝟒. 𝟎𝟎 ℎ 𝑑𝑖𝑎 𝑔𝑎𝑙

DETERMINACIÓN DEL DIAMETRO DE SOPORTE Y DISTANCIA DE SOPORTE DE LAS LÍNEAS DE DISTRIBUCIÓN Basados en la tabla de tubos redondos tenemos Líneas de

∅ (pulg)

Espesor (cm)

I (𝒄𝒎𝟒 )

Caldera-manifold

5

0.2020

156.290

6.165

Línea principal

4

0.1621

79.076

4.913

Línea 1

3

0.1945

32.705

3.660

Línea 2

212

0.1931

28.144

4.759

Línea 3.1

212

0.1931

28.144

4.759

Línea 3.2

6

0.2008

325.722

10.722

distribución

Realizando conversiones tenemos: 𝑤 = 𝑤𝑡𝑢𝑏𝑜 + 𝑤𝑎𝑔𝑢𝑎 = 𝑙𝑏/𝑝𝑖𝑒

21

Peso de tubo

𝒌𝒈 𝒎

PROYECTO DE EXAMEN FINAL 𝐴=

Líneas de

∅ (pie)

Área

Caldera-manifold

5/12

Línea principal

𝜋𝑑 2 = 𝑝𝑖𝑒 2 4

Peso del agua

Peso de tubo

𝒍𝒃

Peso total 𝒑𝒊𝒆

Peso total

(lb/pie)

𝒍𝒃 𝒑𝒊𝒆

0.136

8.78

4.135

12.915

1.076

1/3

0.087

5.62

3.295

8.915

0.7429

Línea 1

¼

0.049

3.16

2.4547

5.6147

0.4679

Línea 2

5/24

0.0340

2.20

3.188

5.388

0.449

Línea 3.1

5/24

0.034

2.20

3.18

5.388

0.449

Línea 3.2

1/4

0.196

12.65

7.192

19.842

1.6535

distribución

NOTA: PARA LA DISTANCIA DE SOPORTES SE TIENE LA ECUACIÓN 𝟑 𝟎. 𝟎𝟐𝟏𝟑 ∗ 𝑬 ∗ 𝑰 𝑳=√ 𝒘

Caldera-manifold Donde: E= 30x106 I= 3.75 𝑝𝑢𝑙𝑔4 𝑙𝑏 W= 1.076𝑝𝑢𝑙𝑔 3 0.0213 ∗ 30𝑥106 ∗ 3.75 𝐿=√ = 130.59𝑝𝑢𝑙𝑔 = 𝟏𝟎. 𝟖𝟖𝒑𝒊𝒆𝒔 1.076

Línea principal Donde: E= 30x106 I= 1.90 𝑝𝑢𝑙𝑔4 𝑙𝑏 W= 0.7429𝑝𝑢𝑙𝑔

22

𝒍𝒃 𝒑𝒖𝒍𝒈

PROYECTO DE EXAMEN FINAL 3 0.0213 ∗ 30𝑥106 ∗ 1.90 𝐿=√ = 117.79𝑝𝑢𝑙𝑔 = 𝟗. 𝟖𝟏𝒑𝒊𝒆 0.7429

Línea 1 Donde: E= 30x106 I= 0.7849 𝑝𝑢𝑙𝑔4 𝑙𝑏 W= 0.4679𝑝𝑢𝑙𝑔 3 0.0213 ∗ 30𝑥106 ∗ 0.7849 𝐿=√ = 102.34𝑝𝑢𝑙𝑔 = 𝟖. 𝟓𝟑𝒑𝒊𝒆 0.4679

Línea 2 Donde: E= 30x106 I= 0.6754 𝑝𝑢𝑙𝑔4 𝑙𝑏 W= 0.449𝑝𝑢𝑙𝑔 3

0.0213 ∗ 30𝑥106 ∗ 0.6754 = 98.68𝑝𝑢𝑙𝑔 = 𝟖. 𝟐𝟐𝒑𝒊𝒆𝒔 0.449

3

0.0213 ∗ 30𝑥106 ∗ 0.6754 = 98.68𝑝𝑢𝑙𝑔 = 𝟖. 𝟐𝟐𝒑𝒊𝒆𝒔 0.449

𝐿=√ Línea 3.1 Donde: E= 30x106 I= 0.6754 𝑝𝑢𝑙𝑔4 𝑙𝑏 W= 0.449𝑝𝑢𝑙𝑔 𝐿=√

Línea 3.2 Donde: E= 30x106 I= 7.817 𝑝𝑢𝑙𝑔4

23

PROYECTO DE EXAMEN FINAL 𝑙𝑏

W= 1.6535𝑝𝑢𝑙𝑔 3 0.0213 ∗ 30𝑥106 ∗ 7.817 𝐿=√ = 144𝑝𝑢𝑙𝑔 = 𝟏𝟐. 𝟎𝟒𝟔𝒑𝒊𝒆𝒔 1.6535

Diámetro del Soporte NOTA: PARA EL DIÁMETRO DE LOS SOPORTESE UTILIZA LAECUACIÓN

𝟒𝒘𝑳𝒄 𝒅=√ 𝝅𝝃 Caldera-manifold Donde: 𝐿𝐵

𝜉= 24000𝑝𝑢𝑙𝑔2 L=130.59 pulg 𝑙𝑏 W= 1.076𝑝𝑢𝑙𝑔 C=3 𝑑=√

4 ∗ 130.59 ∗ 1.076 ∗ 3 𝟓 == 0.1495 ≅ 𝒑𝒖𝒍𝒈 𝜋 ∗ 24000 𝟑𝟐

Línea Principal Donde: 𝐿𝐵 𝑝𝑢𝑙𝑔2

𝜉= 24000

L=117.79 pulg 𝑙𝑏 W= 0.7429𝑝𝑢𝑙𝑔 C=3

4 ∗ 117.79 ∗ 0.7429 ∗ 3 𝟏 𝑑=√ = 0.1180 ≅ 𝒑𝒖𝒍𝒈 𝜋 ∗ 24000 𝟖

Línea 1 Donde: 𝐿𝐵

𝜉= 24000𝑝𝑢𝑙𝑔2 24

PROYECTO DE EXAMEN FINAL L=102.34 pulg 𝑙𝑏 W= 0.4679𝑝𝑢𝑙𝑔 C=3 𝑑=√

4 ∗ 102.34 ∗ 0.4679 ∗ 3 𝟑 = 0.08729 ≅ 𝒑𝒖𝒍𝒈 𝜋 ∗ 24000 𝟑𝟐

Línea 2 Donde: 𝐿𝐵

𝜉= 24000𝑝𝑢𝑙𝑔2 L=98.69 pulg 𝑙𝑏 W= 0.449𝑝𝑢𝑙𝑔 C=3 4 ∗ 98.69 ∗ 0.449 ∗ 3 𝟑 𝑑=√ = 0.08729 ≅ 𝒑𝒖𝒍𝒈 𝜋 ∗ 24000 𝟑𝟐 Línea 3.1 Donde: 𝐿𝐵

𝜉= 24000𝑝𝑢𝑙𝑔2 L=98.69 pulg 𝑙𝑏 W= 0.449𝑝𝑢𝑙𝑔 C=3 4 ∗ 98.69 ∗ 0.449 ∗ 3 𝟑 𝑑=√ = 0.08729 ≅ 𝒑𝒖𝒍𝒈 𝜋 ∗ 24000 𝟑𝟐 Línea 3.2 Donde: 𝐿𝐵

𝜉= 24000𝑝𝑢𝑙𝑔2 L=144pulg 𝑙𝑏 W= 1.6535𝑝𝑢𝑙𝑔 C=3 4 ∗ 144 ∗ 1.6535 ∗ 3 𝟑 𝑑=√ = 0.1950 ≅ 𝒑𝒖𝒍𝒈 𝜋 ∗ 24000 𝟏𝟔

25

PROYECTO DE EXAMEN FINAL

Magnitud de desplazamiento de la junta de dilatación

𝐿𝑓 = 𝐿𝑜 (1.0 + 𝑎 ∗ ∆𝑡 + ∆𝑡 2 ) Desplazamiento de Junta = 𝐿𝑓 − 𝐿𝑜 Donde: ∆𝑡 = 30 − 20 𝑎 = 112𝑥10 − 7 𝑏 = 5𝑥10 − 9

Líneas de distribución

∅ (pulg)

𝑳𝒆 pies

𝑳𝒆

𝑳𝒇

𝑳𝒇 − 𝑳𝒐

Tipo de junta

Caldera-manifold

5

46

14.02

14.0215

1..57x10-3

Curva de dilatación

Línea principal

4

170.5

51.98

51.9858

5.80x10-3

Junta de Dilatación Fuelle

Línea 1

3

119.17

36.33

36.3341

4.10x10-3

Junta de Dilatación Fuelle

Línea 2

212

123.83

37.75

37.7542

4.20x10-3

Junta de Dilatación Fuelle

Línea 3.1

212

147.5

44.97

44.9751

5.10x10-3

Junta de Dilatación Fuelle

Línea 3.2

6

261.67

79.78

79.7889

8.97x10-3

Dilatación deslizantes de prensa estopa

CONCLUSIONES

1. Las dimensiones de las tuberías vienen dadas por la demanda del sistema en general, es decir el consumo total de los equipos en cada ramal, y principalmente se debe contar con los datos de longitudes de la tubería, incluyendo la longitud equivalente

26

PROYECTO DE EXAMEN FINAL de accesorios, para determinar por medio de las ecuaciones correspondientes un diámetro óptimo para cada ramal, el cual podrá disminuir las caídas de presión, evitar el costo innecesario en vapor y tendrá la capacidad suficiente para abastecer la demanda de ese ramal. Como resultado se obtendrá consecuentemente un valor de capacidad para la caldera, de manera que se pueda conseguir un equipo con tales especificaciones en el mercado.

2. Conocemos bien que

la generación de vapor conlleva un costo elevado,

principalmente por el consumo de combustible, de tal forma que estimar el costo de las caídas de presión es un punto importante a tener en cuenta debido a que en grandes cantidades de generación de vapor, tendrá como resultado mucho costo en combustible y desaprovechamiento de ese recurso. El resultado es que más de 30,000 en pérdidas por fricción.

3. El material aislante es un punto importante en las líneas de distribución debido a que contribuyen a que se reduzca por mucho las pérdidas o caídas de presión en la tubería, ahorrándonos dinero y proporcionando un vapor más seco en las tuberías, debido a que se forma menos condensado por las líneas y ayuda a mejorar la recolección del condensado. Es por ello que decidimos recurrir a Ductoflex, como aislamiento en la tubería debido a que resiste bien la temperatura y tiene bajo costo. Añadido a esto también se tiene una guía del diámetro del aislamiento para la instalación.

4. Los accesorios son importantes para muchas operaciones en la línea de distribución de vapor, sirven para retirar condensado como para reducir la presión, en general, mejorar la calidad del vapor para cuando llegue a los puntos de trabajo. Es por ello que se realizaron una lista de accesorios que se utilizarían para la línea de distribución, así como también se colocaron en puntos estratégicos para poder obtener una línea de distribución más eficiente. Se utilizaron válvulas de presión, trampas de vapor, estranguladores, etc. Los soportes también se determinaron de

27

PROYECTO DE EXAMEN FINAL forma que se tenga la debida inclinación para poder colectar el condensado, teniendo en cuenta que existen regulaciones para poder colocar los soportes a una distancia estándar.

RECOMENDACIONES

1. Es recomendado el dimensionar adecuadamente las tuberías por lo que debe realizar un equipo de personas calificado en este tema puesto que se tienen diferentes características principales que se deben de tomar en cuenta para el correcto dimensionamiento así como para la disminución de los costos de la producción y

28

PROYECTO DE EXAMEN FINAL transporte de vapor en nuestra red. Para esto es necesario contar con los datos de requerimientos de presión y caudal necesarios por cada equipo ya que de esto dependerá principalmente el diámetro de nuestras de nuestra tubería y accesorios, para el análisis de estos datos es necesario que el equipo de personas encargadas del diseño e instalación de nuestra red de distribución tenga los conocimientos necesarios para conseguir los requerimientos necesarios por cada uno de los equipos conectados a nuestra red de distribución.

2. Tenemos diversas causas por las que obtenemos perdidas de calor en una red de distribución de vapor por lo que es necesario analizar cada una de ellas una de las que es muy importante resaltar es la perdida de calor por la fricción que se tiene del fluido contra la pared interna de la tubería por lo que es necesario estimarla para poder suplir las necesidades de cada uno de los equipos, es esta manera es recomendado que al diseñar las instalaciones de la red de distribución de vapor se considere y estime los medios para purgar el aire de la tubería puesto que el aire dentro de la tubería nos genera una alta caída de energía en nuestra red.

3. Es recomendado el escoger un adecuado material para el aislante de nuestra tubería puesto que es uno de los puntos más importantes en una red de distribución puesto que si empleamos tuberías sin aislantes térmicos obtendremos una enorme caída de energía lo que se reflejaría en mayor consumo de combustible para poder cubrir las demandas de todos los equipos por lo que el responsable de la instalación es necesario y recomendado que analice cada uno de los aspectos más importantes en los diferentes aislantes así como las dimensiones del aislante ya que si se utiliza un aislante muy delgado aun así obtendremos grandes cantidades de pérdidas energéticas en nuestro sistema y si se emplean altos grosores de aislantes aumenta grandemente el costo de la instalación de la red de distribución.

29

PROYECTO DE EXAMEN FINAL 4. Es importante que se analicen cada uno de los accesorios a utilizar y emplear la menor cantidad de accesorios posibles ya que cada accesorios nos genera una alta perdida energética por el paso del vapor en el accesorio por lo que el disminuir la cantidad de accesorios nos ahorrara una gran cantidad de combustible, de esta manera podemos aumentar la eficiencia de nuestra línea de distribución, otra condición muy importante y recomendada para la red de distribución es la colocación de los equipos que trabajen a mayor presión colocarlos lo más cerca posible de la caldera para disminuir la caída de presión por la longitud de la instalación, de esta manera tendremos menores costo para la instalación de reguladores de presión con lo que obtendremos una disminución en los costos de la instalación y reducción de costos en la distribución del vapor.

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31

PROYECTO DE EXAMEN FINAL

ANEXO

32

PROYECTO DE EXAMEN FINAL

DIAMTERO EXTERIOR

COEFICIENTE DE CONDUCTIVIDAD TÉRMICA (K).

33

PROYECTO DE EXAMEN FINAL

ESPESOR DEL AISLANTE PARA LOS DIFERENTES DIÁMETROS DE LAS LÍNEAS.

34