diseÑo del calentamiento de una piscina

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UNIVERSIDAD CATOLICA DE SANTA MARIA FACULTAD DE CIENCIAS E INGENIERIAS FISICAS Y FORMALES PROGRAMA PROFESIONAL DE INGENIERIA MECANICA ELECTRICA Y MECATRONICA CURSO: DISEÑO DE PLANTAS INDUSTRIALES II TEMA: Diseño de un sistema de calentamiento de una piscina olímpica de José Luis Bustamante y Rivero ING. CARLOS GORDILLO ANDÍA M.Sc. AREQUIPA – PERU 2012

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Page 1: DISEÑO DEL CALENTAMIENTO DE UNA PISCINA

UNIVERSIDAD CATOLICA DE SANTA MARIA

FACULTAD DE CIENCIAS E INGENIERIAS FISICAS Y FORMALES

PROGRAMA PROFESIONAL DE INGENIERIA MECANICA ELECTRICA Y MECATRONICA

CURSO:DISEÑO DE PLANTAS INDUSTRIALES II

TEMA:

Diseño de un sistema de calentamiento de una piscina olímpica de José Luis Bustamante y Rivero

ING. CARLOS GORDILLO ANDÍA M.Sc.

AREQUIPA – PERU

2012

Page 2: DISEÑO DEL CALENTAMIENTO DE UNA PISCINA

FUNDAMENTO TECNICO

1. Conceptos básicos

1.1. Concepto de vapor

Como otras sustancias, el agua puede estar en estado sólido, llamado hielo, en

estado líquido, que es cuando la llamamos agua, 0 como gas, llamado vapor. Si se

añade calor al agua, su temperatura aumenta hasta que alcanza un valor a partir del

cual ya no puede subsistir como líquido. A este valor 10 llamamos "punto de

saturación". Cualquier nueva adición de energía provoca que parte del agua hierva y

se convierta en vapor.

Esta evaporación requiere cantidades de energía relativamente importantes y

mientras esta se esta añadiendo, el agua y el vapor formado permanecen a la misma

temperatura. Igualmente, si conseguimos que el vapor libere la energía que se

añadió cuando se forma, condensara y se formara agua a la misma temperatura.

El vapor, se ha convertido en una flexible y versátil herramienta para la industria

cuando esta necesita algún tipo de calefacción. ¿Por qué? Sencillamente, porque el

vapor se produce evaporando agua que es relativamente barata y accesible en gran

parte del mundo.

Su temperatura se puede ajustar con mucha precisión controlando la presión

mediante el uso de válvulas muy simples; transporta cantidades de energía

relativamente importantes con poca masa y cuando vuelve a convertirse en agua

cede cantidades notables de energía que se transmiten al medio que está calentando.

1.2. Producción de vapor

Cualquier adici6n de calor al agua hará aumentar su temperatura, hasta que se

alcancen los 100 °C. Cualquier aumento adicional de entalpia hace que el agua no

pueda seguir manteniéndose en fase Iíquida y una parte hierva convirtiéndose en

vapor.

Page 3: DISEÑO DEL CALENTAMIENTO DE UNA PISCINA

La entalpia total retenida por cada Kg. de agua líquida a la temperatura de ebullición

se llama "Entalpía específica del agua saturada" y se designa con el símbolo "hf'.

La entalpía adicional necesaria para convertir 1 Kg. de agua en vapor se llama

"Entalpía específica de evaporaci6n" y se designa con el símbolo

La entalpía total de cada Kg. de ·vapor es la suma de las dos anteriores. Se llama

"Entalpía específica del vapor" y se designa con el símbolo "hg". Está claro que:

hf + hfg = hg

Cuando al Kg. de agua a la temperatura de 100°C, se le ha añadido toda la Entalpía

Específica de evaporación, el agua se habrá convertido totalmente en vapor a la

presión atmosférica. Su volumen será mayor que el del agua líquida. El factor de

multiplicación es 11673 y claramente las moléculas del agua líquida se mantienen

mucho más próximas que las moléculas del vapor. Se puede pensar en que el

proceso de evaporación, consiste en añadir suficiente energía para que cada

molécula pueda vencer la fuerza de cohesión que la mantiene próxima a sus vecinas

con lo que abandonará el líquido y se moverá libremente en fase de gas.

1.3. Terminología y unidades

ENTALPÍA

Es el término utilizado para designar la energía total, debida a la presión y a

la temperatura, de un fluido, líquido o vapor (tales como el agua y el vapor

de agua), en cualquier momento y condición dados. La unidad básica de

medida de cualquier tipo de energía es el joule.

ENTALPÍA ESPECÍFICA

Es la entalpía (energía total) de una unidad de masa (1 Kg.)

Se debe recordar que lo que se acaba de definir como Entalpía se definía

antiguamente como Calor Total, el cual era la suma de Calor Sensible y del

Page 4: DISEÑO DEL CALENTAMIENTO DE UNA PISCINA

calor Latente (equivalentes a la Entalpía del agua y a la Entalpía de

evaporación que definimos a continuación).

ENTALPÍA DE AGUA SATURADA

El punto de partida en las tablas de vapor es agua a O °C, valor al que se

supone que el contenido calorífico es cero para cualquier propósito. (El calor

absoluto contenido sería considerable si tomáramos como calor cero el del

cero absoluto, equivalente a -273°C). La entalpía específica del agua

saturada a 100 °C es por tanto 100 x 4.186 = 418,6 KJ.

ENTALPIA DE EVAPORACIÓN

Cuando el agua ha alcanzado los 100°C, se continúa transfiriendo calor de la

caldera al agua pero la temperatura no sigue aumentando. El calor adicional

se usa para vaporizar el agua y convertirla en vapor. La Entalpía que produce

un cambio de estado de líquido a gas sin variación de temperatura se llama

"Entalpía de evaporación".

ENTALPIA DEL VAPOR SATURADO

Hemos visto que el vapor generado en una caldera contiene una entalpía que

es la suma de otras dos. Esta suma de entalpías se conoce como "Entalpía del

vapor saturado".

CAPACIDAD CALORIFICA ESPECÍFICA

Es la medida de la capacidad que posee una substancia para absorber calor y

se define como la cantidad de energía (joules) requerida para aumentar 1 °C

a 1 Kg. de esa substancia. Se expresa en KJ/Kg. 0c. La capacidad calorífica

específica del agua es de 4,186 KJ/Kg. 0c. Significa que un aumento de

entalpía de 4,186 KJ hará aumentar en 1°C la temperatura de 1 Kg. de agua.

1.4. Presión y volumen del vapor

Page 5: DISEÑO DEL CALENTAMIENTO DE UNA PISCINA

A la situación teórica de vado perfecto o ausencia total de presión se le llama "cero

absoluto". Presión absoluta es la ejercida por encima de este cero absoluto.

La presión manométrica es ~a que se lee en un manómetro estándar instalado en el

sistema. Puesto que esta presión es la existente por encima de la atmosférica, el cero

del dial del manómetro es equivalente a unos 1,013 bar abs.

Ya hemos mencionado el término presión atmosférica. Es simplemente la presión

que ejerce la atmósfera terrestre sobre todas las cosas y en todas direcciones. La

unidad de presión en el sistema internacional (SI) es el bar (1 bar = 100 kpa). La

presión ejercida por la atmósfera cuando el agua está hirviendo a 100 0(, es de

1,01325 bar. Es un valor tan próximo a 1 bar, que la aproximación es suficiente en

la mayor parte de casos prácticos.

El volumen ocupado por una masa dada de vapor depende de su presión. A la

presión atmosférica, 1 Kg. de vapor ocupa unos 1,673 m3. A la presión de 10 bar

abs, el mismo Kg. de vapor sólo ocupa 0,1943 m3. El volumen de 1 Kg. de vapor a

una presión dada es su volumen específico (Vg). El volumen ocupado por una

unidad de masa de vapor disminuye cuando la presión aumenta.

1.5. Calidad de vapor

VAPOR SECO Y VAPOR HÚMEDO

"Vapor saturado seco" es un vapor que ha sido evaporado completamente, es

decir, no contiene gotas de agua líquida; es importante que el vapor utilizado

para procesos o calefacción sea lo más seco posible. La calidad del vapor se

describe mediante su "fracción seca", que es la proporción de vapor

completamente seco presente en el vapor considerado. El vapor se llama

"húmedo", si contiene gotas de agua en suspensión que no transportan

entalpía específica de evaporación.

VAPOR SOBRECALENTADO

Page 6: DISEÑO DEL CALENTAMIENTO DE UNA PISCINA

Si la transferencia de calor continúa después que se ha evaporado toda el

agua, la temperatura del vapor seguirá aumentando.

En estos casos el vapor se llama "sobrecalentado" entendiéndose como tal al

vapor que se encuentra a cualquier temperatura por encima de la del vapor

saturado a la presión correspondiente. El vapor sobrecalentado es el que se

utiliza habitualmente para potencia, mientras que el vapor saturado es ideal

para aplicaciones de proceso y calefacción.

1.6. Generación del vapor

La energía química contenida en el carbón, gas u otro combustible de caldera se

convierte en energía calorífica al quemarse éstos.

Esta energía calorífica se transmite a través de las paredes del hogar de la caldera

hasta el agua. Mediante la adición de esta energía calorífica la temperatura del agua

aumenta y cuando alcanza el punto de saturación, hierve.

Cuanto mayor sea la temperatura inicial del agua en la caldera, menor entalpía será

necesaria para llevarla al punto de saturación y, por consiguiente, será necesario

quemar menos cantidad de combustible. Ya tenemos el agua a 100°C. Si en nuestra

caldera continuamos transfiriendo calor al agua, la entalpía adicional producida por

esta transferencia no provoca un aumento de la temperatura del agua, sino que la

evapora; convirtiéndola en vapor.

Al generarse vapor queda comprimido y ejerce una presión en todo lo que le rodea,

incluida la superficie del agua, aumenta la temperatura del agua saturada puesto que

las moléculas necesitan más energía para abandonar la superficie.

i) Cuando la presión del vapor aumenta:

La entalpía del vapor saturado aumenta ligeramente.

La entalpía del agua saturada aumenta.

La entalpía de evaporación disminuye.

Page 7: DISEÑO DEL CALENTAMIENTO DE UNA PISCINA

ii) Cuando la presión del vapor disminuye:

La entalpía del vapor saturado disminuye ligeramente.

La entalpía del agua saturada disminuye.

La entalpía de evaporación aumenta,

2. Generadores de vapor

2.1. Teoría básica de calderos

El generador de vapor moderno está constituido por un conjunto integrado de

diferentes componentes cuya finalidad es aprovechar lo mejor posible el calor

brindado por su combustible para hacer posible la conversión del agua en vapor,

elemento de primordial importancia en el campo industrial por sus múltiples

aplicaciones.

Un caldero generador de vapor es un recipiente cerrado de transferencia de calor

destinado a producir vapor de agua generalmente a mayor presión que la

atmosférica absorbiendo el calor que desarrolla la combustión al interior del hogar.

2.2. Clasificación de un caldero

Existen diversas maneras de realizar una clasificación de calderos, así, ya sea por

disposición de los fluidos y su circulación, el mecanismo de transmisión de calor

dominante, el tipo de combustible empleado, la presión de trabajo, el tiro, el modo

de operación y parámetros exteriores del caldero ligados a la implantación,

ubicación, lugar de montaje y aspectos estructurales.

2.2.1. De acuerdo a la presión de trabajo

a) De Presión Alta.- Utilizados básicamente en la generación de potencia,

presión de trabajo superior a 64 kg/cm2 (62.7 bar)

Page 8: DISEÑO DEL CALENTAMIENTO DE UNA PISCINA

b) De Presión Media.- Usados en procesos industriales en pequeñas plantas

cuya presión de trabajo está entre 20 y 64 Kg/cm2 (19.6 y 62.7 bar).

c) De Presión Baja.- Usados en procesos industriales en pequeñas plantas de

generación de potencia con una presión de trabajo inferior a 20 Kg/cm2 (19.6

bar)

2.2.2. Por la posición de los gases y el agua

PIROTUBULARES

Donde los gases, producto de la combustión, fluyen por el interior de los

tubos calefactores, mientras que el agua por el exterior de estos: todo esto

contenido en una carcasa,

Este tipo de calderos no se pueden equipar fácilmente con recalentadores y

por ende se imitan a la generación de vapor

ACUOTUBULARES

Aquí los gases van por el exterior de los tubos, por lo tanto el agua va por el

interior de los tubos, todo esto contenido en el interior de una carcasa, estos

tipos de calderos los podemos clasificar en:

De Tubos Rectos: Todos los tubos son de igual longitud.

De Tubos Doblados: Son más baratos; el acceso a los tubos es más difícil;

más amplitud de los tabiques deflectores de los gases calientes.

2.2.3. Por la posición y forma de los tubos

Posición de los tubos

Verticales

Horizontales

Inclinados

Forma de los tubos

Page 9: DISEÑO DEL CALENTAMIENTO DE UNA PISCINA

Rectos

Curvados

2.2.4. Por el servicio prestado

Fijos

Portátiles

2.2.5. Por otras formas

Por la circulación del agua

De circulación natural.

De circulación asistida.

De circulación forzada.

Por el mecanismo de transmisión de calor

De convección.

De radiación.

De radiación y convección.

Por el combustible empleado

De carbón mineral

De combustibles gaseosos

De combustibles especiales

De recuperación de calor de gases

Mixtos y Nucleares.

2.3. Partes y componentes de un caldero

En líneas generales en una caldera se distinguen las siguientes grandes partes:

Page 10: DISEÑO DEL CALENTAMIENTO DE UNA PISCINA

a) El hogar con su parrilla (para combustibles sólidos, cenicero y altar), cámara

de combustión (donde actúa el quemador), aquí se produce el fenómeno de

la combustión y se transfiere calor por radiación.

b) La caldera propiamente dicha, compuesta de un cuerpo cilíndrico de chapa

de acero herméticamente cerrado y expuesto a la acción de las llamas y

gases calientes, es aquí donde se transfiere calor por convección. Sus

elementos principales lo constituyen: La cámara de agua, cámara de vapor,

la superficie de calefacción y la superficie de vaporización.

c) El conducto de humos y chimenea que conduce a los productos de la

combustión desde el hogar hasta el exterior de la chimenea, donde se

manifiesta el tiro.

d) Instrumentos y Controladores (se considera también a los accesorios), estos

elementos permiten tomar el control de operación de caldero para obtener el

vapor según las características y cantidades deseadas alcanzando mayores

niveles de eficiencia.

2.4. Combustibles para el funcionamiento de calderos

Combustible industrial es aquel elemento o sustancia que al quemarse en

condiciones controladas, produce energía térmica aprovechable con fines

industriales.

En este punto presentaremos las características principales del DIESEL 2 y el GLP

ya que en la propuesta del capítulo V se contempla la utilización de este último

como combustible para los calderos, por tener mejores ventajas.

Los combustibles líquidos derivados del petróleo tienen muchas ventajas sobre los

combustibles sólidos porque son fáciles de manipular, permiten mejores

condiciones de combustión y pocos problemas respecto a cenizas y contaminación

ambiental.

COMBUSTIBLES DESTILADOS Y RESIDUALES

Page 11: DISEÑO DEL CALENTAMIENTO DE UNA PISCINA

Los combustibles líquidos derivados del petróleo que se emplean a nivel industrial,

básicamente están constituidos por los destilados más pesados y por los residuales

que salen por el fondo de la columna de destilación. En la siguiente tabla se

encuentran algunas de las características más importantes de los derivados del

petróleo.

2.5. Características del combustible diesel 2

Aunque una gran proporción de su producción se consume en el sector transportes,

también se utiliza en usos industriales, cuando por el tamaño y capacidad de los

equipos o por condicionantes del proceso mismo, no resulta posible o conveniente

utilizar combustibles residuales.

No requiere calentamiento previo para ser bombeado, ni para su atomización

Por ser un producto destilado, es un combustible limpio, con mínimo

contenido de cenizas, sin humedad ni sedimentos y bajo contenido de azufre.

Su poder calorífico expresado en función del volumen es menor que el de los

combustibles residuales.

2.6. Características del gas licuado de petróleo

Es una mezcla de Hidrocarburos esencialmente propano y butano saturados a

temperatura ambiente y presión atmosférica. La comercialización se efectúa en

estado líquido por aplicación de una presión moderada a temperatura ambiente.

Nombre comercial: GLP

Usos:

Hogar: Cocinas, calentadores de agua, secadoras de ropa e incineradores.

Industria: Hornos y Calderos. En la industria mecánica es irremplazable para

el corte y soldadura de metales.

Granjas y Haciendas

Transporte

Page 12: DISEÑO DEL CALENTAMIENTO DE UNA PISCINA

Ventajas: Combustible de elevado poder calorífico y bajo contenido de Azufre en

comparación del diesel 2. Combustión limpia sin formación de hollín y cenizas.

Seguridad:

Tóxico por inhalación, no puede ser observado pero si puede percibirse por

el olfato

Muy inflamable ( Temperatura de auto ignición 3360 C)

Riesgo de incendio y explosión.

Precauciones de Transporte: Norma lATA (etiqueta roja) No se acepta en

aviones de pasajeros.

RESERVAS DE GLP

Como resultado de los estudios realizados por PETROPERÚ S.A. sobre los

yacimientos de Camisea, se ha determinado que las reservas probadas ascienden a

6,1 x 1012 pies cúbicos (PCS) de gas natural y 405 MMB de líquidos de gas natural

(LGN).EI aprovechamiento de esta riqueza natural supone la instalación de

unidades para producir productos de uso final que serán combustibles (gas seco),

GLP (mezcla propano - butano) gasolina, kerosene y en menor proporción diesel.

De acuerdo al· balance de producción, la demanda de los productos líquidos

muestra diferencias previniéndose que habrán excedentes de GLP que no será

posible colocar en el mercado nacional contemplándose el uso de estos productos

para su uso en la macro región del Sur del Perú

POTENCIA DL MERCADO INDUSTRIAL

El diesel que se utiliza en calderos y hornos pueden sustituirse gradualmente por

GLP en el corto plazo ya que sus consumidores actuando racionalmente

comprenderán las ventajas económicas del cambio, tanto por razones del precio del

producto como por reducción del costo de mantenimiento de sus equipos. A

diferencia de lo que ocurre en Lima, en esta zona del país no se usa petróleo residual

por no distribuirlo en las plantas debido al clima frígido que originaría un mayor

costo de precalentamiento.

Page 13: DISEÑO DEL CALENTAMIENTO DE UNA PISCINA

PRODUCCION DE GAS LICUADO DE PETRÓLEO

Fuentes de Producción:

Se tiene:

1. A partir del gas natural

2. A partir del petróleo crudo

1. A partir del gas natural

a. Por refrigeración externa.

Sistema de separación a baja temperatura. Sistema de

estabilización.

Sistema de recompresión.

Sistema de refrigeración.

b. Por turbo expansión.

Sistema de separación a baja temperatura. Sistema de

estabilización.

Sistema de recompresión.

Sistema de refrigeración.

2. A partir del petróleo crudo

Esta se obtiene a partir del proceso de craqueo catalítico.

3. Sistema de tratamiento de agua

3.1. Características del agua antes de ser tratada

El agua natural a simple vista puede parecer pura y limpia, pero sometida a un

análisis químico, siempre se encontrará impurezas que resultan indeseables en el

agua de alimentación a un caldero.

Consideremos las diferentes impurezas que contiene el agua, las mismas que son de

múltiples formas y características y pueden ser divididas de la siguiente manera:

Page 14: DISEÑO DEL CALENTAMIENTO DE UNA PISCINA

a) Sales Minerales en Solución: Estas consisten en bicarbonatos, sulfatos,

cloruros, nitratos en forma de calcio, magnesio, sodio o potasio.

b) Sólidos en Suspensión o Turbidez: Así como la arena, óxidos de hierro,

arcilla o grava, tierras de infusorios, etc.

c) Gases Disueltos: Como el oxígeno, dióxido de carbono, el nitrógeno, el

sulfuro de hidrógeno, metano, etc.

d) Materia Orgánica: Como microorganismos de tipo animal y vegetal,

aceites, aguas servidas, etc.

3.2. Objetivos del tratamiento de agua

Como se ha mencionado, el agua que servirá como alimentación para su

calentamiento o la producción de vapor en calderos, deberá recibir un del proceso

que empleará el agua caliente o el vapor producido. Los objetivos del tratamiento se

orientan precisamente a evitar las consecuencias de la presencia de las impurezas

mencionadas y son los siguientes:

Evitar incrustaciones en las superficies de transferencia de calor en el interior

del caldero.

Evitar la corrosión y picaduras por gases disueltos y ácidos.

Evitar el arrastre.

Evitar la fragilidad cáustica.

3.3. Técnicas de tratamiento de agua

a) Clarificación y Sedimentación.- El primer paso en el tratamiento de agua natural

para ser empleada en calderos, consiste en eliminar material que se mantiene en

suspensión, permitiendo que se deposite por gravedad en pozas de clarificación y

sedimentación.

Para remover estas finas partículas (generalmente sustancias coloidales) se usa

floculantes. Los floculantes más comúnmente utilizados son sales de hierro¡ y

Page 15: DISEÑO DEL CALENTAMIENTO DE UNA PISCINA

aluminio¡ tales como cloruro férrico¡ sulfato férrico¡ sulfatos de aluminio y

aluminato sódico. También se emplean polímeros orgánicos y algunos tipos

especiales de arcilla.

b) Descarbonatación.- Utilizado para reducir la dureza del aguar la Alcalinidad y en

algunos casos el contenido de sílice. Consiste en añadir ciertos reactivos químicos

para que reaccionen con minerales disueltos en el aguar dando lugar a compuestos

relativamente insolubles.

El carbonato de sodio es usado para reducir la llamada dureza permanente,

constituida por sales diferentes a los bicarbonatos (sulfatos, cloruros, fosfato, etc.).

El lodo resultante de la reacción cal-soda puede ser removido por precipitación y

filtración. El sulfato y cloruro de sodio resultante es muy soluble y no forma

incrustaciones.

c) Desmineralización.- El agua descarbonatada, clara, limpia, y Aparentemente

pura, todavía contiene una gran variedad de sales disueltas, las cuales son

parcialmente separadas por partículas con cargas eléctricas llamadas iones, es decir,

se ionizan.

Los intercambiadores de cationes son regenerados con cloruro de sodio o ácidos

como el sulfúrico, clorhídrico, etc.

d) Desaireación y tratamiento químico.- El oxígeno disuelto es removido por debajo

de 0.007 ppm por calentamiento de agua con vapor y adición de sulfito de sodio.

También se utiliza la hidracina con este fin.

3.4. Tratamiento interno del agua en el caldero

Específicamente el tratamiento del agua interna prevé:

Productos químicos que reaccionan con la dureza agua del agua de

alimentación y previene la formación de incru5taciones de metal

Acondicionarse de Iodos sintéticos o naturales para prevenir que los sólidos

suspendidos se depositen en el metal

Page 16: DISEÑO DEL CALENTAMIENTO DE UNA PISCINA

Antiespumantes para prevenir e~ arrastre.

Reactivos para la eliminación de oxígeno y prevenir corrosión

Entre los reactivos utilizados para el tratamiento interno del agua tenemos fosfatos y

polímeros

4. Sistema de distribución

4.1. Consideraciones generales para el sistema de distribución

4.1.1. Presión de generación y utilización

En instalaciones consumidoras de vapor medianas y pequeñas, existe cierta

tendencia a distribuir y utilizar el vapor a la presión de generación en caldera

o cercana a ella. En instalaciones grandes de proceso suelen emplearse dos o

más niveles de presión de distribución. Las presiones altas corresponden

generalmente a vapor recalentado, empleado para el accionamiento de

turbinas de vapor, bien para generación de energía eléctrica o bien conectadas

a bombas o compresores. Las presiones medias, en este caso, se obtienen con

vapor recalentado o no, según procedan de extracción de turbinas o

laminación a partir de presiones superiores. Las presiones bajas se utilizan

para calentamiento de proceso a temperaturas moderadas o calefacción.

En la tabla de características del vapor de agua se puede ver lo siguiente:

El calor sensible del vapor saturado aumenta considerablemente al

aumentar la presión.

El calor latente del vapor saturado disminuye al aumentar la presión

(hasta llegar al punto crítico) y viceversa.

En general, se puede decir que se economiza energía, generando y usando el

vapor a la menor presión posible compatible con las necesidades del proceso.

Esto a su vez, provocará menos pérdidas de calor y problemas por

revalorización en las líneas y depósitos de recolección de condensado.

Page 17: DISEÑO DEL CALENTAMIENTO DE UNA PISCINA

El generar vapor a la más alta presión posible, permite obtener los siguientes

beneficios:

Al ser mayor el peso específico, disminuye el diámetro de las tuberías,

y en consecuencia los costos de la misma, accesorios, soportes,

aislamientos, etc.

Se produce menor condensación en las redes de distribución,

evitándose los problemas inherentes a la misma.

Se transporta más energía por unidad de masa, al ser mayor la entalpía.

Disminuyen los costos de transporte por unidad de entalpía

transportada.

Se aconseja, por lo tanto, generar y transportar a mayor presión y utilizar a la

menor presión posible. Cuanto más grande sea la instalación, mayor será la

repercusión de la elección de presión de transporte sobre el costo total de la

red de distribución.

4.1.2. Reducción de la presión de trabajo del vapor

La elección de los niveles de presión del vapor de distribución de la planta

industrial debe, por lo tanto, ser realizada teniendo en cuenta distintos

factores: inversión en tuberías y aislamiento, superficies de intercambio en los

equipos, temperatura de los procesos, etc.

En ocasiones, la presión necesaria en algunos equipos de la planta no

coincidirá con la de distribución. Será, por lo tanto, preciso emplear una

válvula reductora de presión para llevar el vapor desde la presión de

distribución a la de utilización.

4.1.3. Colectores y ramales

El vapor que se produce en la caldera debe ser transportada por medio de

tuberías a los puntos de consumo para su utilización.

Page 18: DISEÑO DEL CALENTAMIENTO DE UNA PISCINA

Para dimensionar una línea de vapor se deben conocer, como mínimo, los

siguientes datos:

Caudal nominal

Caudal en puntas de trabajo Presión de servicio

Pérdida de carga máxima admisible

Velocidad de circulación

Otros datos específicos de la instalación.

Por otro lado, debe tenerse en cuenta que un mal dimensionado produce los

siguientes efectos, todos ellos negativos tanto bajo el punto de vista mecánico

como energético:

Ruidos

Golpe de ariete

Pérdidas de carga altas

Condensaciones

Caídas de temperatura en distribución

Otros

4.1.4. El aire en las redes de vapor

Durante la parada de instalación" el volumen antes ocupado por el vapor; pasa

a ser ocupado por el aire. Este aire en la puesta en marcha debe ser eliminado

de la forma más rápida posible por medio de válvulas aireadoras.

Los inconvenientes más importantes producidos por la presencia del aire y

gases incondensables en la instalación de vapor son:

Descenso de temperatura del vapor

Transmisión del calor más lenta

Corrosión en las líneas de condensado

4.2. Componentes principales del sistema de distribución de vapor

4.2.1. Cabezal o manifold de vapor

Page 19: DISEÑO DEL CALENTAMIENTO DE UNA PISCINA

El colector de vapor, también denominado "MANIFOLD", es una clase

especial de tubería de distribución porque puede recibir vapor de una o varias

calderas al mismo tiempo.

4.2.2. Tuberías principales

Dentro del conjunto de redes de vapor principales. encuentran todos los

complementos que permiten una distribución más eficiente y para el manejo

adecuado de este fluido.

4.2.3. Tuberías secundarias

Estas tuberías son las que salen de las líneas principales de vapor y lo llevan

hacia el equipo que lo utiliza.

El sistema completo debe ser diseñado y conectado de forma que se evite la

acumulación de condensado en cualquier punto del sistema.

Todas las tomas de vapor se deben realizar por la parte superior de tubería

principal y así evitar el arrastre de condensados hacia el equipo.

4.2.4. Válvulas de compuerta

Se utilizan válvulas de compuerta para minimizar las caídas de presión en la

posición abierta y para detener el flujo de fluidos, más que para regular. Esta

válvula trabaja en posición abierta o cerrada.

4.2.5. Válvulas de globo

Su función es la de regular el caudal del fluido con que se trabaja, en nuestro

caso vapor. Mayormente estas válvulas están instaladas en la entrada de vapor

hacia los equipos consumidores en las diferentes áreas.

4.2.6. Válvulas reductoras de presión

Son accesorios que regulan la presión del vapor en la descarga de la válvula;

estas válvulas ayudan a operar los sistemas de vapor en una forma segura y

Page 20: DISEÑO DEL CALENTAMIENTO DE UNA PISCINA

eficiente. Y al mantener una presión constante para el control adecuado del

proceso, aseguran una producción ininterrumpida

4.2.7. Válvula reguladora de temperatura

Son accesorios que regulan la temperatura de un sistema de control y lo hacen

censando la temperatura del fluido y permitiendo o restringiendo el paso de

vapor a través de la válvula.

4.2.8. Válvula de seguridad

Estas válvulas operan en posición abierta o cerrada, pero actúan cuando a

través de un mecanismo se detectan sobre presiones en las líneas de vapor o

en los equipos consumidores.

4.2.9. Juntas de dilatación

Cuando las limitaciones de espacio, los requisitos de procesamien.to u otras

consideraciones¡ dan como resultado configuraciones de flexibilidad

insuficiente, se puede incrementar adecuadamente la capacidad de deflexión

dentro de los límites de intervalos tolerables de esfuerzo, mediante la

utilización de una o más juntas de expansión

4.2.10. Coladores o filtros

Son accesorios que mantienen las redes de vapor libres de suciedades o

cuerpos extraños que podrían ocasionar bloqueo de éstas o deterioro.

Mayormente están compuestos de cuerpo y canastilla.

4.2.11. Visores

Son accesorios compuestos por un cuerpo de fierro fundido y una o dos

mirillas de vidrio. Su utilidad es para la inspección en las redes de vapor y

retorno de condensado.

4.2.12. Uniones universales

Page 21: DISEÑO DEL CALENTAMIENTO DE UNA PISCINA

Son accesorios compuestos por un cuerpo de fierro maleable ó acero y un

asiento de bronce. Como su nombre lo indica, se utilizan para unir diferentes

accesorios como tuberías, trampas de vapor, etc.

4.2.13. Bridas

Son accesorios usados para empalme, los cuáles se mantienen unidos con una

empaquetadura intermedia por acción de espárragos o pernos. Facilita el

mantenimiento en las redes de vapor.

4.2.14. Manómetros

Son instrumentos de medición de presíón, los cuales deben ser contrarrestados

periódicamente con un manómetro patrón y recalibrado si fuera necesario.

4.2.15. Anclajes

Son elementos de fijación que mantienen a la tubería fija contra el edificio.

4.2.16. Piernas colectoras

Son necesarias a ciertos intervalos en las tuberías y sus principales funciones

son:

Dejar que el condensado sea drenado por gravedad del vapor fluyendo

a velocidades altas.

Colectar el condensado hasta que la presión diferencial sea suficiente

para descargarlo a través de una trampa de vapor.

5. Sistema de retorno de condensado

5.1. Recuperación de condensado

El vapor al ceder su calor latente condensa y forma una película que representa un

impedimento a la transmisión de calor. En las tuberías la condensación se origina

por las pérdidas de calor debido a la inevitable existencia de radiación y que se

Page 22: DISEÑO DEL CALENTAMIENTO DE UNA PISCINA

producen a pesar de su aislamiento, y si no se elimina llegará este condensado a los

equipos consumidores y hasta habrá problemas con el golpe de ariete.

Interesa eliminar el condensado tan rápidamente como se produzca, pues aunque su

contenido de calor sea elevado, su aprovechamiento haría el proceso de

calentamiento muy lento. Tener en cuenta que el coeficiente

Por otro lado, el aprovechamiento del condensado repercute sobre el consumo

energético de forma importante por dos razones:

Posee una importante cantidad de energía, y será mayor si es que la presión es

mayor. Por cada 6° de elevación de temperatura del agua de alimentación, se

obtendrá un ahorro de combustible del 10/0.

El agua tratada y por lo tanto su reutilización supone un importante ahorro en

cuanto al tratamiento del agua.

Evidentemente, estos dos aspectos hacen aumentar el rendimiento global de la

caldera, ya que el ahorro en el tratamiento del agua supone reducción de purgas. En

el caso de condensados contaminados, se hace inviable su retorno al depósito de

agua de alimentación de calderas.

5.2. Conducciones

5.2.1. Diámetros y pendientes

No debe descuidarse, el riesgo de que un dimensionado deficiente dificulte la

evacuación de los purgadores de aquellos equipos que trabajan a presiones

bajas.

Suele ser energéticamente más favorable el conducir por separado los

condensados de diferentes escalones de presión al depósito colector. La

presión en la conducción correspondiente a los condensados a mayor presión

será mayor y su sección menor.

La presión de condensados de alta presión será mayor y la sección de tubería

menor.

Page 23: DISEÑO DEL CALENTAMIENTO DE UNA PISCINA

En la elección de los diámetros de las líneas de condensados, debe tener

presente la revalorización (flash) del condensado al entrar en la conducción.

Incluso a presiones bajas (1,5 bar) el volumen del revaporizado resulta varias

veces superior al del líquido.

En la puesta en marcha de la instalación es cuando se produce la mayor

cantidad de condensados. Al mismo tiempo la presión en la línea de vapor es

menor siéndolo por lo tanto también la presión diferencial entre esta y la línea

de condensados; por ello no interesa que la contrapresión en esta última sea

elevada. El dimensionado de la conducción de condensados suele hacerse para

estas condiciones de evaluación.

5.3. Componentes principales del sistema de retorno de condensados

Empecemos por el momento en el que el vapor entra en el sistema desde la caldera y

encuentra frías las superficies de las tuberías de distribución y de los equipos de

proceso. La diferencia de temperatura. entre el vapor y las paredes metálicas, será

mayor en este período inicial de calentamiento de lo que será posteriormente.

A medida que el sistema se calienta, la gradual disminución de diferencia de

temperatura lleva consigo una disminución en la velocidad de condensación del

vapor, hasta que se alcanza un valor prácticamente estable. Los dos valores

extremos de cantidad de condensado formado se conocen como "carga de arranque"

y "carga de régimen".

Si en la parte baja del equipo de proceso se realiza un agujero de diámetro

adecuado, todo el condensado que se forme saldrá libremente por el mismo, el

problema es que el vapor también escapará con la consiguiente pérdida de energía.

Por este motivo, es necesario contar con un medio que descargue el condensado sin

dejar escapar vapor.

5.3.1. Trampas de vapor

Son válvulas automáticas capaces de detectar la diferencia entre el vapor y el

condensado para reaccionar descargando el condensado sin permitir que

Page 24: DISEÑO DEL CALENTAMIENTO DE UNA PISCINA

escape vapor. Todas las trampas se diseñan para esta función, pero no todas lo

hacen de la misma manera. No existe una "trampa universal' que resuelva

todas las aplicaciones posibles.

Clases de Trampas de Vapor

Hay cuatro grupos principales de trampas de vapor:

a) Grupo termostático

Este tipo identifica el vapor y el condensado mediante la diferencia de

temperatura, la cual opera sobre un elemento termostático. El condensado

debe enfriarse por debajo de la temperatura del vapor antes de ser eliminado,

ver anexo II-l.

Entre los principales tipos de trampas que pertenecen a este grupo tenemos las

siguientes:

Trampa de Presión Balanceada

Trampa de Expansión Líquida

Trampa de Expansión Metálica ID Trampa Bimetálica

b) Grupo mecánico

Las trampas de este tipo operan mecánicamente por la diferencia de densidad

entre el vapor y el condensado. El movimiento de un flotador actúa sobre la

válvula de salida, ver anexo U-2.

Entre los principales tipos de trampas que pertenecen a este grupo tenemos las

siguientes:

Trampa de Flotador

Trampa de Balde Invertido

c) Grupo termodinámico

Page 25: DISEÑO DEL CALENTAMIENTO DE UNA PISCINA

Este grupo trabaja por la diferencia de velocidad entre el vapor y el

condensado. La válvula consiste en un disco que cierra con la alta velocidad

del revaporizado y abre con la baja velocidad del condensado, ver

funcionamiento en el anexo II-3.

Trampa Termodinámica

5.3.2. Bombas de condensado

Para el movimiento del condensado, se acostumbra usar bombas centrífugas

movidas por un motor.

La. velocidad máxima de formación de condensado se produce durante el

periodo inicial de calentamiento del equipo y puede alcanzar valores de hasta

cinco veces la velocidad normal. Para decidir la capacidad de la bomba hay

que tener en cuenta ambas velocidades de formación de condensado; la

normal y la máxima. Para calcular la capacidad de la bomba se puede seguir

métodos diversos, los cuales se nombran a continuación:

La bomba puede diseñarse de acuerdo con la velocidad máxima de

formación de condensado.

Puede emplearse dos bombas, cada una diseñada para la mitad de la

velocidad máxima de formación de condensado.

Puede diseñarse para la velocidad normal de formación de

condensado.

La bomba puede diseñarse para un valor promedio de la velocidad de

formación de condensado.

5.3.3. Trampas bombas

Una alternativa diferente para el uso de electrobombas es el de la Trampa-

Bomba, accesorio relativamente nuevo en el mercado y que tiene amplias

ventajas en comparación con el sistema tradicional de bombeo de condensado.

Estas bombas son la solución no eléctrica de bajo mantenimiento para

transportar condensado y otros líquidos de lugares bajos, zonas de presión

Page 26: DISEÑO DEL CALENTAMIENTO DE UNA PISCINA

baja o zonas de vacío, a áreas con mayor elevación o presión. El condensado

puede devolverse a temperaturas muy superiores al límite de 98.9 °C de las

bombas eléctricas convencionales, esto sin problemas de cavitación o fugas

por juntas.

Características de operación:

No eléctrico: usa vapor, aire o gas de bajo costo para opera el colector

de bomba.

A prueba de explosiones: seguridad intrínseca

Bajo mantenimiento: no hay juntas que tengan fugas ni problemas de

impulsores o motores

El material de construcción es de acero inoxidable

6. Sistema de aislamiento de las redes

6.1. Materiales aislantes

La función principal de un material aislante, es evidentemente ofrecer una buena

resistencia térmica a la transmisión del calor, pero también debe de cumplir

conciertos requerimientos esenciales que a continuación se enumeran:

1. - Los materiales aislantes están divididos por rangos de temperatura.

2.- El material con que son fabricados los aislamientos tienen que soporta el rango

de temperatura a que han sido diseñados.

3.- Como la mezcla de radiación y convección es la más eficiente para tJ

aislamiento, los materiales aislantes deben de tener la capacidad habilidad de atrapar

gases o aire en su interior para que trabajen eficientemente. Un material asi formado

debe estar en un rango de densidad de 30 a 250 kilos por metro cubico. Los

materiales m~ pesados son por general malos aislamientos térmicos.

4.- Debido a su poca densidad, los materiales aislantes deben soportar y) tener una

resistencia mecánica mínima para resistir las etapas de fabricación, transporte e

instalación, sin romperse o deteriorarse.

Page 27: DISEÑO DEL CALENTAMIENTO DE UNA PISCINA

5.- Por ser poroso y de poca resistencia mecánica, todo material aislante. requiere de

una protección mecánica exterior una vez colocado, esto para evitar por accidente

un golpe o mal movimiento de una máquina o persona y que lo maltrate o rompa.

Para comprender mejor como es el comportamiento del aislamiento térmico para las

tuberías, a continuación daremos algunos conceptos básicos de lo que es

Transferencia de Calor en las Tuberías de Vapor.

El calor fluye de la masa caliente a la masa fría. Esta transferencia la puede hacer de

dos maneras por radiación o por convección.

RADIACIÓN.- A diferencia de la conducción y convección, no se requiere que

intervenga un espacio lleno de materia para que las superficies intercambien calor

por radiación, por ser esta radiación electromagnética. Los líquidos, sólidos y

algunos gases (especialmente vapor de agua e hidrocarburos) emiten radiación

térmica como resultado de sus temperaturas

CONVECCIÓN.- Es el paso del calor (energía térmica) a través de una superficie

que está en contacto con un fluido que tiene temperatura diferente a la de la

superficie en cuestión.

6.2. Características de los materiales aislantes

Sin pretender describir todos los materiales aislantes, se dan a continuación algunas

nociones de los que con frecuencia se emplean en el aislamiento industrial.

Las características técnicas de c/u de ellos varían en función de las propiedades que

cada fabricante hace uso de la materia prima que lo define, por lo tanto, para cada

caso, se debe consultar al mismo.

Amianto(Asbesto)

Origen:

Es una fibra natural que se presenta en la naturaleza bajo diversas formas.

Presentación:

Page 28: DISEÑO DEL CALENTAMIENTO DE UNA PISCINA

Comprimido, se puede utilizar en forma de placas planas, curvas, coquillas y

piezas moldeadas. También puede utilizarse por medio de proyección,

adaptándose a todo tipo de piezas de forma.

Características:

o Densidad media: 0.18 a 0.20 Kg/m3; límite de temperatura de

empleo en régimen continuo a 550°C en régimen discontinuo 600 0e.

o Coeficientes de conductividad: 0.38 Kcal/ h.m. °C (0.04419 W/m

°K)

o Resistencia mecánica: buena

o Límite de elasticidad : 2 bar

o Resistencia al fuego : muy satisfactorio

o Límite de elasticidad : 2 bar

o Resistencia al fuego : muy satisfactorio

o Imputrescibilidad : total

Fibra de vidrio

Origen:

Se obtiene de hilos de vidriofibra natural que se presenta en la naturaleza

bajo diversas formas.

Presentación:

En forma de mantas, paneles, semirrígidos, losetas, coquillas, etc. Se puede

proyectar o inyectar

Características:

o Densidad: de 8 a 300 Kg/m]

o Coeficientes de conductividad: 0.032 Kcal/ h.m. °C a 20°C

(0.037216 W/m °K a 293 °K)

o Resistencia mecánica : buena

Page 29: DISEÑO DEL CALENTAMIENTO DE UNA PISCINA

o Resistencia al fuego : incombustible

o Límite de temperatura: 750 °C

Silicato de calcio

Origen:

Similar al asbesto. Presentación:

Presentación:

En forma de placas, coquillas y piezas moldeadas. Asimismo se puede

proyectar adaptándose a las formas complicadas de los cuerpos a aislar.

Características

o Densidad: de 180 a 230 Kg/m3

o Coeficientes de conductividad: 0.0895 Kcal/ h.m. °C a 500 DC

(0.1040 W/m °K a 773 °K)

o Resistencia mecánica : buena

o Límite de temperatura : 1050 °C

7. Equipamiento de la carga

A continuación describiremos los principales equipos consumidores de vapor e se

utilizan en una instalación hospitalaria.

7.1. Intercambiadores de calor y serpentines sumergidos

Serpentines sumergidos son elementos para transferencia de calor que se sumergen

en el líquido que se va a calentar, evaporar o concentrar.

Estos equipos son usados para calentar agua para el proceso o para uso doméstico,

vaporizar gases industriales como propano y oxígeno, concentrar fluidos en proceso,

como azúcar, petróleo, licores y combustible para calefacción para su fácil

transporte y atomización.

Page 30: DISEÑO DEL CALENTAMIENTO DE UNA PISCINA

7.2. Intercambiadores de calor de tubos de coraza

En estos intercambiadores se instalan varios tubos dentro de una cámara o coraza

con un área libre reducida. Esto básicamente asegura que siempre hay contacto entre

los tubos y el fluido viajando en la coraza, lo opuesto puede también ser

implementado con el vapor en la coraza y el líquido en los tubos.

7.3. Ollas con camisas de vapor(Marmitas)

Son esencialmente ollas de cocido o concentradores con camisas o chaquetas de

vapor alrededor de ellas.

Existen básicamente dos tipos de ollas con camisas de vapor: con drenaje fijo del

producto por gravedad (estáticas) y con drenaje inclinado (volcables).

El problema más grande de las ollas encamisadas es el aire encerrado dentro de las

camisas de vapor, el cual tiene un efecto negativo en la temperatura del sistema.

Específicamente, bajo ciertas condiciones con tan sólo un contenido en volumen del

0.5% de aire en el vapor, es suficiente para formar una capa aisladora en las

superficies de transferencia de calor, lo cual reduce la eficiencia de la transferencia

hasta un 50 %.

Un segundo problema, es la necesidad de remover el condensado en forma total y

uniforme. Cualquier acumulación de condensado en las camisas, resulta en un

control de temperatura inestable, una menor capacidad de operación de la marmita y

el riesgo de tener golpe de ariete.

7.4. Equipo con cámaras de vapor cerradas y estacionarias

Productos encerrados en prensas con camisas de vapor

Entre estos equipos. tenemos las máquinas de planchado de superficies planas en las

lavanderías que son una forma especializada de prensar con una cámara de vapor de

un solo lado del producto.

Inyección directa de vapor en la cámara del producto

Page 31: DISEÑO DEL CALENTAMIENTO DE UNA PISCINA

Este tipo de equipo combina vapor con el producto, con el propósito de esterilizarlo.

Ejemplos típicos son los esterilizadores de ropas e instrumentos de cirugía.

Producto en la cámara de vapor en la camisa.- Hornos de autoclave y esterilizadoras

son los equipos típicos con esta clase de configuración. En estos casos el

condensado no está contaminado debido a que no hay contacto con los productos y

por lo tanto se puede regresar directamente a la caldera.

7.5. Secadoras rotatorias con drenaje por sifón

Existen dos tipos de secadoras rotatorias que varían de forma significante en cuanto

método de funcionamiento y clases de aplicaciones.

Cilindros rotatorios llenos de vapor con el producto por afuera.- Este sistema seca el

producto al ponerlo en contacto con la superficie exterior de un cilindro lleno de

vapor.

Secadora calentada por vapor con producto por adentro.- En este caso se tiene el

producto dentro de un cilindro rotatorio donde tubos con vapor secan el producto al

entrar en contacto directo con el producto. En algunos casos también se usa una

camisa de vapor alrededor del cilindro.

Formulario

Capacidad nominal

Cap . nom=Cap.calculada x .!evap

Conversión BHP-Lb/h

1 BHP=34.5 Lb/h

Factor P

P= F 1−F 2L

Verdadera velocidad

Page 32: DISEÑO DEL CALENTAMIENTO DE UNA PISCINA

VV=Vg x y10

Perdida de calor

Heat loss= H x π x De x L12

Ql=ql x L

Eficiencia de aislamiento

η=H −QlH

Temperatura de gases escape

Tgases escpmax=Tsat+80 ° C

Eficiencia del caldero

ηcaldero=QaQt

=mv x (h sal−hing)

m x PC

Entalpia líquidos

h=4.2 x (T ° C)

Flujo de vapor efectivo

mv= cap x34.5.!evap

Flujo de combustible

mc=mv x (h sal−hent)

PC x η

Flujo volumétrico

V=mcρ

Costo tonelada de vapor

Costo ton vapor= costo combmv

Esfuerzo máximo debido a la flexión

Page 33: DISEÑO DEL CALENTAMIENTO DE UNA PISCINA

S= w x L2 x De16 x I

Flecha por deflexión

y= 5 x w x L4

384 x E x I

Peso del tubo, cubierta y contenido

w=( pesodel tubo+ pesodel agua ) x1.1

Esfuerzo admisible

L= 2√ 16 x I x Sadw x De

Flecha admisible

L=4√ 384 x E x I x yadδ xw

Pendiente

∆ h=8 x yad

Volumen del tanque

Vtanque= cap . requerida2

Volumen de resina

Vresina=0.6 xVcontenedor

Contenido de granos por galón

concentraciongrgal

= concentracion ppm17.1

Volumen de agua para saturar la resina

Vagua= 25000 xVresinaconcentracion gr /gal

Tiempo antes de saturar la resina

Page 34: DISEÑO DEL CALENTAMIENTO DE UNA PISCINA

tsat= Vcap .requerida

Peso de CaCO3 requerido para regeneración

Psal=10 xVresina

Volumen de salmuera

Vsalm=10 x Psal

Flujo regenerante

Freg=Vresina x1GPM

pie3

Tiempo de regeneración

treg=VsalmFreg

Volumen de agua para el proceso de lavado

Vlav=60 x Vresina

Flujo agua de lavado

Flav=Vresina x 1GPM

pie3

Tiempo lavado

tlav=VlavFlav

Diámetro de tubería de salmuera

D= 2√ Freg x 4π x Velrec x ρ

Velocidad recomendada del flujo de salmuera y agua blanda

Vsalm=3m/ s

Diámetro de tubería de agua dura y blanda

D= 2√ Freq x 4π x Velrec x ρ

Page 35: DISEÑO DEL CALENTAMIENTO DE UNA PISCINA

Análisis del funcionamiento de los calentadores de agua

Durante el proceso de calentamiento del agua para la piscina, se utilizan dos calentadores tipo calderines de iguales características mismos que están ubicados en paralelo y comunicados entre si mediante tuberías de 2” de diámetro, su forma geométrica exterior es prismática de caras paralelas cuyas medidas son 1520 mm de altura * 640 mm de ancho * 1250 mm de profundidad.Estos calentadores deben ayudar a mantener diariamente el agua de las piscinas (una semi olímpica y otra infantil) a una temperatura de 28º C, cuyo volumen de agua es de 514m 20m3 respectivamente. Su características; funcionan con gas G.L.P. como combustible, los contextura física es como lo muestra la siguiente figura.

b) Cámara de CombustiónLa cámara de combustión está ubicada en la parte inferior del calentador, sus dimensionesson 480 mm de altura, 450 mm de ancho y 850 mm de profundidad, cubierta en su interiorpor ladrillo refractario, el agujero para el ingreso de los gases es de 4” de diámetro; poseeademás en la parte superior 32 agujeros conectados a los tubos a través de los cuales salenlos gases producto de la combustión y calientan el agua del recipiente desde unatemperatura inicial de 17ºC llegando hasta una temperatura final de 80ºC, esta última en

c) Recipiente de aguaEs el espacio volumétrico de aproximadamente 1m³ donde está contenida el agua que absorbe el calor de los tubos y a su vez entrega ese calor al agua de la piscina que atraviesa por unos serpentines de cobre.

d) Tubos conductores de gases calientesSon 32 tubos de acero que conducen el calor de los gases producidos por el quemador, y transmiten este calor al agua del recipiente, sus dimensiones son las siguientes, 800 mm de longitud por 1,5” de diámetro, la temperatura a la que se exponen cada uno de ellos es de 238ºC, el haz de tubos en su extremo final se une a una pequeña cámara de 0.028m3 y este a su vez desemboca en una chimenea que conduce los gases al exterior.

e) Chimenea para evacuación de gases

Es un conducto cilíndrico de 8” de diámetro y 5m de longitud a partir del calentador, que sirve para evacuar los gases producto de la combustión quemados en la cámara.

f) Serpentines conductores del agua de la piscina

Page 36: DISEÑO DEL CALENTAMIENTO DE UNA PISCINA

Son dos conjuntos unidos entre sí y sub divididos en 6 tubos de cobre de ¼” de diámetro con una longitud de 1,9m cada uno doblado en arco una vuelta, es decir un paso, llegando a medir ya doblados una distancia máx., de 0.53m como lo muestra en la figura

g) Ingreso de agua al recipienteEl agua ingresa al recipiente del calentador por una tubería de 1” de diámetro, esta aguaviene de la red de agua potable, por lo que previamente se la ablanda con el fin de evitar lacorrosión e incrustaciones en el interior del recipiente. El volumen del agua permanececonstantemente en el interior del mismo y solo se la cambia cuando es necesario.h) Expansor de aguaEs un pequeño tanque que sirve para almacenar el agua que ingresará al recipiente, de unamanera temporal y va ingresando poco a poco mientras el interior lo va requiriendo.

i) TermostatoEl termostato controla la temperatura del agua del recipiente, cuando llega hasta 70ºC esteenvía la señal al quemador para que se apague.

j) Tubería para la circulación del agua de la piscinaLa mayor cantidad de tubería es de plástico PVC para agua caliente, que viene desde lapiscina, luego un tramo de tubería galvanizada de 4”, lo concerniente a las bombas, el filtroy nuevamente se conecta a una tubería plástica de 2” de diámetro por donde ingresa el aguaa los calentadores, la descarga de agua caliente es también en tubería de diámetro 2”, elingreso del agua es controlado por un sistema de válvulas manuales las cuales sonmanipuladas por un operador.k) Estructura – ArmazónLa estructura de los calentadores está constituida por planchas de tol de 3cm de espesor yunidas entre sí por un armazón de 48 varillas de hierro entre cruzadas, las cuales le danfirmeza y solides a la estructura.

l) Aislante térmicoEs una lana de vidrio que impide que el calor interno del agua se disipe al exterior.m) CarcasaEstá constituida por planchas de tol de 2mm de espesor y sirve para darle forma física yestética exterior a la estructura del calentador.

Page 37: DISEÑO DEL CALENTAMIENTO DE UNA PISCINA

Distribución de la red de agua para la piscine

Bombas de aguaEn el sistema de calentamiento de agua, existen dos bombas montadas y acopladashorizontalmente, cuyas características son las siguientes:

Page 38: DISEÑO DEL CALENTAMIENTO DE UNA PISCINA

Válvulas de Globo y Check#1.- Válvula utilizada para abrir, cerrar o regular el fluido que proviene de losdesnatadores hacia el sistema de calentamiento.#2.- Válvula utilizada para abrir, cerrar o regular el fluido que proviene de la descarga dela piscina, descarga ubicada en las paredes de la piscina hacia el sistema de calentamiento.#3.- Válvula utilizada para abrir, cerrar o regular el fluido que proviene de la descarga dela piscina, misma descarga que está ubicada en el centro de la piscina.#4, #5.- Válvulas utilizadas para abrir o cerrar el paso del fluido a las bombas #2 y #1respectivamente, ya que existen dos bombas en paralelo.Por lo tanto si la bomba #2 tiene alguna avería o está en mantenimiento se cerrará laválvula #4 y se abrirá la válvula #5 y viceversa.#6.- Válvula check, utilizada para evitar el retorno del fluido hacia la bomba.#7.- Válvula utilizada para abrir o cerrar el paso del fluido hacia el filtro.#8.- Válvula utilizada para realizar el retro lavado del filtro, generalmente permanececerrada, es abierta cuando se cierra la válvula #7 funcionando a manera de un puente conel paso directo del fluido sin atravesar el filtro.#9.- Válvula utilizada para realizar la limpieza del filtro, generalmente permanececerrada, se abre para despedir el agua lodo producto de remover las impurezas dentro delfiltro.#10.- Válvula utilizada para realizar la limpieza del filtro, normalmente está abierta, se

Page 39: DISEÑO DEL CALENTAMIENTO DE UNA PISCINA

cierra esta válvula para evacuar el agua lodo del filtro, para esto debe estar cerrada laválvula #8.#11.- Válvula check, utilizada para evitar el retorno del fluido hacia el filtro.#12.- Válvula utilizada para regular el paso del fluido, cuando el sistema está calentandoel agua se cerrará casi completamente la válvula para que el agua pase hacia loscalentadores impidiendo además que el agua caliente que retorne de los calentadores nose mesclen con el agua fría que ingresa del filtro, mientras tanto que cuando el sistemaestá en filtración se abrirá completamente .la válvula para que el agua pase directamentesin ingresar a los calentadores.#13.- Válvulas utilizadas para abrir o cerrar el paso del fluido que proviene de la piscinahacia el calentador #1, esta válvula siempre está abierta, solamente se cerrara en caso deavería o mantenimiento del calentador #1.#14.- Válvula utilizada para cerrar el paso del fluido que proviene de la salida delcalentador #2, esta válvula siempre está abierta, solamente se cerrara en caso de avería omantenimiento del calentador #1.#15.- Válvula utilizada para cerrar el paso del fluido que proviene de la salida delcalentador #1, esta válvula siempre está abierta, solamente se cerrara en caso de avería omantenimiento del calentador #2.#16.- Válvulas utilizadas para cerrar el paso del fluido que proviene de la piscina haciael calentador #2, esta válvula siempre está abierta, solamente se cerrara en caso de averíao mantenimiento del calentador #2.Tuberías y accesorios

Proceso de calentamiento del agua

Para conservar el agua a una temperatura de 28ºC, es necesario mantener encendido losquemadores durante un tiempo de 12 horas diarias en 4 días diferentes a la semana.Mediante experimentos realizados y observaciones diarias se verificó que la temperaturadel agua de la piscina, desciende en un grado todos los días después de su utilización, (VerAnexo 10), por lo que además de los calentadores es necesario cubrir con un cobertor

Page 40: DISEÑO DEL CALENTAMIENTO DE UNA PISCINA

térmico a toda la piscina el cual evita la evaporación y enfriamiento del agua.El agua es impulsada por una bomba de 15 HP para su circulación tanto para elcalentamiento a una presión de 60 PSI y filtración a 45 PSI.Durante el calentamiento se enciende la bomba y ésta succiona el agua de la piscina, porcuatro conductos de 2” de diámetro ubicados en las paredes laterales y uno de 3” ubicadoen la parte inferior de la misma. Esta agua atraviesa por tuberías de plástico PVC y llega alos calentadores a una velocidad de 2.07 m/s con un caudal de 150 GPM, al pasar elagua de la piscina por los serpentines absorbe el calor transferido a los tubos de cobre por elagua caliente contenida en el recipiente del calentador, que a su vez es calentada por losgases quemados producto de la combustión originada en la cámara por el quemador.

Al salir el agua de los serpentines a una T de 30ºC por una tubería de 2”, esta sube detemperatura y desemboca en un solo conducto de 3” de diámetro que es enviado por acciónde la misma bomba hacia la piscina, e ingresa nuevamente por cuatro conductos de 2”ubicados en las paredes laterales de la piscina.Este proceso se da durante las 12 horas mencionadas anteriormente, tiempo necesario paraque todo el volumen de la piscina haya atravesado por los calentadores y el agua hayasubido hasta la temperatura necesaria.

Cálculos en función del estudio realizadoCalor generado por el calentadorLa cantidad de calor que está generando a siguiente manera.

Page 41: DISEÑO DEL CALENTAMIENTO DE UNA PISCINA

Calor utilizado por el aguaEl calor absorbido por el agua al pasar esta por los calentadores.

Eficiencia del calentador

Para lograr la eficiencia de los calentadores se utiliza la siguiente ecuación.

Page 42: DISEÑO DEL CALENTAMIENTO DE UNA PISCINA

Pérdidas de calor (Stefan Boltzmann)a) Pérdidas por evaporación.-Sin considerar el aporte de humedad de los espectadores, proceso en el cual el agua seenfría porque pierde calor que sale hacia el ambiente.

Page 43: DISEÑO DEL CALENTAMIENTO DE UNA PISCINA

b) Pérdidas por radiación.-Están en función de la diferencia entre la temperatura media de los cerramientos y la delagua.Como en nuestro caso la piscina es cubierta el cerramiento deben encontrarse a muy pocosgrados de temperatura por debajo de la del agua, así pues estas pérdidas por radiación enpiscinas cubiertas se consideran generalmente despreciables.c) Pérdidas por convección.-Al igual que las pérdidas por radiación en el caso de piscinas cubiertas las pérdidas porconvección (Qc) también se suelen despreciar, ya que la diferencia de temperaturas es muypequeña.

d) Pérdidas por renovación.-Existen pérdidas continuas de agua, desde la evaporada, a la que los propios bañistas sacandel vaso, o la gastada en la limpieza de fondos y filtros. Sin embargo, estas cantidades son muy inferiores al 5% del volumen total del vaso que obligatoriamente por formativa,debido a razones higiénicas sanitarias, debe reponerse diariamente. Esta renovaciónconlleva que las pérdidas de calor (Qr, en w) por este concepto sean importantes, y en todocaso, dependerán de la temperatura de agua de la red y de la temperatura del agua de lapiscina que se pretenda alcanzar. Se puede calcular de la siguiente forma:

e) Pérdidas por transmisión.-Dependen exclusivamente de las características constructivas del vaso (enterado, visto, etc.)y del coeficiente de transmisión térmica del material empleado. En el caso más habitual de

Page 44: DISEÑO DEL CALENTAMIENTO DE UNA PISCINA

vaso de hormigón construido dentro del propio sótano del recinto las pérdidas portransmisión (Qt, en w), se calculan con la fórmula:

Necesidades energéticasEl calor necesario para elevar dos grados centígrados en un tiempo de 12 horas; es tomadode los datos actuales registrados diariamente por el técnico de mantenimiento.Calor necesario para elevar 2°C en 12h.

Page 45: DISEÑO DEL CALENTAMIENTO DE UNA PISCINA

Energía total necesaria para calentar la piscina

El valor mostrado a continuación es un parámetro muy importante ya que en función deeste resultado se buscara las alternativas óptimas que abastezcan esta necesidad.Las consideraciones a tomarse en cuenta son, que el agua debe calentarse a partir de los 15grados centígrados, hasta los 28 grados centígrados en una situación inicial en un tiempo de24 horas.

Consumo de gasPara determinar el consumo actual de gas se recurrió a la lectura de datos experimentalesregistrados en la tabla Nº VIII.Se debe tomar en cuenta que estos datos son tomados para un calentador y que el peso delcombustible en cada uno de los tanques es de 45Kg.

Page 46: DISEÑO DEL CALENTAMIENTO DE UNA PISCINA

Emisión de gasesUno de los parámetros considerados importantes para determinar la eficiencia de loscalentadores en cuanto a la quema de los gases es realizar un diagnostico de los mismos encondiciones de funcionamiento normales, como el que se muestra a continuación.

Page 47: DISEÑO DEL CALENTAMIENTO DE UNA PISCINA

PANELES SOLARESComúnmente son de fabricación nacional en largo de 2.0 m. y ancho de 1.20 m, enestructura soportante de plancha galvanizada de 1.0 mm de espesor. El panel solar constade un serpentín de tubería de cobre de ½” - 1” de diámetro embutido dentro de un base

Page 48: DISEÑO DEL CALENTAMIENTO DE UNA PISCINA

de poliuretano líquido de color negro asfáltico y, sobre este como tapa se colocanplanchas de vidrio de 3.0 mm. de espesor de color negro.

Complementariamente se utiliza un control de temperatura solar, sensores de temperatura ycaballetes que le den inclinación a los paneles. Los resultados obtenidos en nuestro medioson buenos aunque su costo inicial es bastante alto.La determinación del número de paneles está supeditado al lugar o posición geográfica dela piscina y a su área siendo para nuestro medio como cálculo empírico obtener el númerode paneles calculando el área de la piscina en metros y dividiendo para 2.VentajasEnergía solar para:· Calentar el agua de su piscina· Aumentar el disfrute del baño· Alargar la temporada de su uso· Tener mayor entretenimiento personal y familiar· Mayor relajación, salud y bienestarEnergía solar que:· No contamina· Es totalmente gratis· No precisa mantenimiento· Da un valor añadido a su vivienda· Puede instalár usted mismo

Principios de funcionamiento

Colectores

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· Fluido caliente· Retorno del fluido frío· Regulador· Bomba· Válvula de seguridad· Depósito· Consumo de agua caliente· Recipiente con diafragma· Cambiador de calor superior· Cambiador de calor inferior· Alimentación de agua· Contenedor de salida del portador de calor

DISEÑO Y CONSTRUCCIÓN DE UN CALENTADOR SOLAR DE AGUAEl calentamiento solar de agua para consumo doméstico, como alternativa para sustituir los calentadores tradicionales (eléctricos, a gas, etc), es una opción atractiva, si se toma en cuenta las bajas temperaturas necesitadas (40ºC a 60ºC), además, desde el punto de vista de ahorro energético es la opción más favorable, ya que en estos sistemas, la fuente de calor es la radiaciónsolar, la cual sustituye los combustibles fósiles ó la electricidad.Los sistemas solares para calentamiento de agua están constituidos por dos elementos principales [3]:- Colector, encargado de recibir y transformar la energía incidente durante el día.- Tanque de almacenamiento, aislado para el agua que ha sido calentada.Existen dos tipos de sistemas para el calentamiento, los cuales se diferencian en la forma de circulación del agua:Sistema de circulación natural y Sistema de circulación Forzadaconstrucción, opera por circulación natural, es decir, la circulación del agua entre colector y tanque, es producida por el principio de termosifón, presentado cuando, una masa de fluido es calentada, a través de la base de un recipiente, es decir, el agua al entrar al colector por la parte inferior es calentada, lo cual disminuye su densidad debido al incremento de la temperatura, entonces, la columna de agua fría en la tubería de retorno al colector y la columna de agua caliente dentro del mismo , se desequilibran haciendo que por gravedad la primera baje y empuje el agua caliente hacia el tanque. La figura 1, muestra un esquema de un colector de este tipo.

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DISEÑO DEL SISTEMADimensionamiento Previo del SistemaEl parámetro más importante a determinar es el área de la placa de absorción, y el punto de partida para la evaluación de esta, es la carga térmica anual y la radiación promedio del lugar, de acuerdo con la siguiente expression

Para la evaluación de los términos de la expresión (1), se deben hacer las siguientes apreciaciones: 1) Se realizan los cálculos tomando en cuenta el promedio anual de la radiación solar, debido a la poca diferencia que se presenta entre cada uno de los meses. 2) El calentador será ubicado en la ciudad de Armenia, Quindío. 3) La inclinación del colector con respecto a la horizontal, es de cero grados, debido al sitio en el cual se hará el montaje y a que de esta manera la radiación incidente es mayor Scientia et Technica Año XII, No 31, Agosto de 2006. U.T.P 87 Para la radiación global promedio sobre la superficie ( T H ), se tomará como base, los datos registrados por el Manual de Radiación Solar en Colombia, en el municipio de Armenia , que para el caso de este trabajo, debido a la no inclinación del colector, se toma como el valor de HT, el valor promedio de la radiación global sobre la superficie del colector, por tanto:T H = H = 4,10 kWh/m2-día = 14,76 MJ/ m2-díaPara el dimensionamiento del colector y del tanque es necesario calcular la carga térmica mensual, la cual está conformada por el calor necesario para obtener los ochenta litros diarios de agua a 50ºC, y las pérdidas en el tanque acumulador, de acuerdo con las siguientes expresiones

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En un principio se supondrá que las pérdidas en el tanque son despreciables para el cálculo del área del colector, por lo cual sólo se necesita conocer la carga para el calentamiento del agua, entonces:

Se requieren entonces 3915,136 MJ anuales para satisfacer las necesidades de agua caliente de la vivienda, sin tener en cuenta las pérdidas presentadas en el tanque. Para la determinación del área de la placa de absorción se tiene que de acuerdo con la expresión (1), los datos obtenidos anteriormente y suponiendo una eficiencia media del cincuenta por ciento (? = 0,5), se obtiene

Se requerirá entonces un colector cuya placa de absorción sea de 1,5 m2 para calentar el agua, teniendo en cuenta que aún no se han calculado las pérdidas en el tanque. Para el tanque de acumulación, se utilizará un tanque cilíndrico, por facilidad de construcción, tanto del tanque como de los soportes del mismo, la altura se supondrá de 80 cm. La relación óptima entre área y volumen es

Por tanto, el diámetro del tanque será de 40 cm y su altura de 80 cm, con estos valores el volumen del tanqueserá de:

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TuberíasPara realizar la instalación de los calentadores, se requerirá de tuberías galvanizada cedula40 de diámetros de acuerdo a los cálculos realizados para el caudal. Estas tuberías son de3”, 2 1/2” y 2”, respectivamente, estos diámetros se tomaron de acuerdo a los siguientescálculos:

Entonces para realizar nuestros cálculos utilizamos las ecuaciones anteriormente descritas.Para:

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Para:

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Con estos resultados las tuberías a utilizarse en la instalación de los calentadores son dediámetro 3”, 2.5” y 2” respectivamente. Con estas tuberías se evitará que exista caída depresión en los calentadores manteniéndose la velocidad y el caudal constante será el mismopara los tres calentadores, esto es 50 GPM para cada uno, con lo cual se aprovechará almáximo a dichos calentadores.Todas las tuberías serán adaptadas al sistema actual tanto en succión como en descarga dela piscine

Válvulas y accesorios

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Se instalarán válvulas de globo, una al ingreso y otra a la salida de cada uno de loscalentadores, de la misma manera en la entrada y salida del sistema total de conexión(tuberías) de los calentadores. Así también como cada uno de los respectivos accesoriosnecesarios para completar la instalación como son: tés, codos, universales, al menos unregulador de presión, todos estos adaptados y distribuidos como se muestra en la siguientefig.

Resumen de todos los equipos, accesorios y elementos a utilizarse en la nuevainstalación.

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Cálculos de la eficiencia propuesta para el nuevo sistema

Consumo de gasEl consumo de gas de los calentadores propuestos de acuerdo al catalogo del fabricante esde 7Kg/h.Eficiencia TérmicaPara el cálculo de la eficiencia térmica de los calentadores propuestos se utilizará lasiguiente ecuación:

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Calor AprovechadoA continuación se determinará el calor total que generan los calentadores a instalarse.

Tiempo de calentamientoFinalmente calcularemos el tiempo necesario para recuperar el calor de la piscina y elevarla temperatura de 26ºC a 28ºC, utilizando los nuevos calentadores, para lo cual utilizamosla siguiente ecuación:

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Entonces el tiempo aproximado en que se va a calentar la piscina es en 5 horas.

Consumo de combustible

Analíticamente el consumo de combustible que seen un día de calentamiento;calentamiento y además tomando en cuentason de 45Kg, instaladas en una centralina decalentadores.Consumo de Combustible del Calentador actual

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Consumo de combustible de los calentadores propuestos

Conociendo que en una semana se realiza el proceso de calentamiento durante cuatro días,entonces el consumo semanal será el siguiente:

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CONCLUSIONES

· Se ha realizado el estudio técnico de los calentadores utilizados en la piscina de la JLByR, analizando un sinnúmero de variables tomadas analítica y experimentalmente mismas que han sido determinantes en los cálculos y por consiguiente en los resultados.

· Se determinó que la eficiencia de los calentadores actuales es del 54%.

· Los equipos actuales necesitan ser reemplazados por cuanto están trabajando a la mitad desu capacidad, provocando que los costos de operación , mantenimiento y consumo de combustible son elevados por causa de su mal estado, estableciendo que el consumo de gas en el sistema actual es de 4,01 tanques por día de calentamiento o sea (12horas).

· Para mejorar la eficiencia en el sistema de calentamiento de agua de la piscina, se han seleccionado 2 equipos de excelente rendimiento (82%) y bajo costo de operación, lo que garantiza un mejor aprovechamiento de la energía y el combustible, consumiendo 2,33tanques diarios por calentamiento.

· El tiempo de calentamiento con los equipos seleccionados se logro disminuir hasta en 7horas en comparación con el actual.

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BIBLIOGRAFÍA· CENGEL, Y.A. Transferencia de Calor. 5ta.ed. México: McGrawHill, 2003· DONALD, Kern. Procesos de Transferencia de Calor. 2da.ed. México: CECSA,1965· KARLEKAR, B.V, Transferencia de Calor. 2da.ed. México: EditorialInteramericana, 1985· HARO, M. Texto Básico de Instrumentación Industrial, 2007

LINKOGRAFÍA· INTERCAMBIADORES DE CALORhttp://personales.ya.com/universal/TermoWeb/IngenieriaTermica/teoría/PDFs/17.pdf2008-12-18· PÉRDIDAS DE CALOR EN UNA PISCINAhttp://www.ciatesa.es/data/documentos_tecnicos/public/2005-1128_Climatizacion_piscinas_cubiertas.pdf2008-12-10· PRINCIPIOS DE FUNCIONAMIENTO DE LOS PANELES SOLAREShttp://euroeko.sopa.net/qsomos.html2009-01-13· CARACTERISTICAS TECNICAS DE LOS CALENTADORES RAYPACKhttp://www.raypak.com/poolframe.htm2009-01-13