Download - Trabajo aislacion
Estudio y Selecciónde Aislante
Para Cañería con Vapor
Univerdidad Austral de ChileFacultad de Ciencias de la Ingeniería
Programa de Formación de Pregrado
Intercambio de Energía con Fluidos CompresiblesMPTL 104
Integrantes Felipe HarrisJohan MuñozJuan VargasGabriel Zumelzu
Profesores encargados Sr. Rogelio MorenoSr. Marcelo ParedesSr. Juan Rebolledo
Valdivia, Chile23 de abril de 2012
Índice General
Índice General . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . i
Índice de Tablas . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . iii
Índice de Figuras . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . iv
Introducción . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . v
1. Problema de Diseño y Objetivos . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1
1.1. Problema . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1
1.2. Objetivos . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1
1.2.1. Objetivo general . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1
1.2.2. Objetivos específicos . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1
2. Marco Teórico . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2
2.1. Conceptos básicos de transferencia de calor . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2
2.1.1. Conducción de calor . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2
2.1.2. Convección de calor . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5
2.1.3. Coeficiente global de transferencia de calor . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5
3. Cálculo de Red de Vapor . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 8
4. Cálculos del Aislamiento Térmico . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 12
4.1. Aislamiento térmico . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 12
4.2. Cálculo de pérdidas de calor . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 15
i
§ ÍNDICE GENERAL � ii
5. Cálculo de Consumo de Combustible de la Caldera y Demanda de la Red de
Vapor . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 18
5.1. Cálculo de consumo de combustible de la caldera . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 18
5.2. Cálculo de combustible en la red de vapor . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 19
5.3. Precio del carbón a la fecha de Enero de 2008 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 21
6. Análisis Técnico-Económico . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 22
6.1. Ahorro energético en función del espesor . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 22
6.2. Selección del espesor óptimo . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 24
6.3. Selección de la trampa de vapor a utilizar . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 27
7. Conclusión . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 28
8. Bibliografía . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 29
Apéndices . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 30
A. Tablas . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 31
B. Manuales . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 34
Cálculo de aislación en red de vapor Universidad Austral de Chile
Índice de Tablas
2.1.1. Unidades de medida de calor por conducción en los principales sistema de medición. . 3
2.1.2. Unidades de medida de calor en convección en los principales sistema de medición. . . 5
3.0.1. Velocidad máxima recomendable en las redes de vapor. Fuente: Cortesía de Spirax Sarco. 8
3.0.2. Elementos componentes de la red de vapor. Datos de pérdida en longitud equivalente.
Fuente: Información extraída de Spirax Sarco. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 9
4.1.1. Conductividad Térmica y densidad del material. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 13
4.1.2. Concentración de elementos tóxicos presentes en el material en relación con la máxima
concentración permisible. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 14
6.1.1. Ahorro energético a diferentes espesores. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 23
6.1.2. . Rango acotado de espesores. Datos de pérdida y ahorro energético con respecto a la
red sin aislación. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 23
6.2.1. Estudio del Valor Neto Actual de la inversión (VNA). . . . . . . . . . . . . . . . . . . 25
iii
Índice de Figuras
2.1.1. Conducción en una pared plana. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4
2.1.2. Conducción en paredes cilíndricas. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4
4.1.1. Aislamiento térmico de cañerías AISlAN. Fuente: Catálogos de productos Volcan. . . . . 13
4.1.2. Gráfico de conductividad Térmica v/s densidad. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 14
4.1.3. Certificación entregada por el fabricante. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 15
4.2.1. Corte transversal de la cañería aislada. Identificación de parámetros a considerar en
el cálculo. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 16
4.2.2. Esquema Termo-Eléctrico de una cañería aislada para transporte de vapor saturado. . 16
6.1.1. Gráfico de % de ahorro energético (con respecto a la cañería son aislación)al utilizar
distintos tamaños de espesores. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 24
6.1.2. . Perdidas de calor v/s espesor. Adicionalmente, se identifica la tendencia de los datos. 24
6.2.1. Aumento de la inversión según espesor. Datos obtenidos de cotización realizada a
empresa Volcán. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 25
6.3.1. Trampa de Vapor de Valde invertido. Fuente: Spirax Sarco. . . . . . . . . . . . . . . . . 27
A.0.1. Tabla de precios de los combustibles durante el período de Enero de 2005 a Enero de
2008. Fuente: Ministerio de Energía del Gobierno de Chile. . . . . . . . . . . . . . . . . . 31
A.0.2. Método de selección directa de diámetro de canerías. Fuente: Cortesía Spirax Sarco. . . 32
A.0.3. Gráfico de Moody. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 33
A.0.4. Cotización de aislante en empresa Volcán. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 33
B.0.1. Manual de la Trampa de Vapor a usa. Fuente: Spirax Sarco. . . . . . . . . . . . . . . . 34
iv
Introducción
El ahorro energético es un tema que hoy en día posee una importancia relevante en la industria,
hogares, o en cualquier sistema que ocupe, transporte o transforme un tipo de energía.
En el caso de las industrias, el medio más utilizado para transportar grandes cantidades de energía,
es el vapor. Para lograr esto, se debe poseer un eficaz sistema de control, capaz de manejar altas
presiones a temperaturas elevadas.
La teoría de la transferencia de calor establece, que un cuerpo a una temperatura mayor, sede calor
a un medio que posea una temperatura menor. En las plantas generadoras de vapor, es sumamente
importante reducir la transferencia de calor al ambiente, ya sea en las redes de vapor, en calderas,
válvulas, etc., en general, cualquier elemento que posea una temperatura mayor a la ambiental.
Actualmente, existen materiales aislantes que reducen significativamente las pérdidas de calor en
distintas aplicaciones. Si bien es cierto, la compra e instalación de estos materiales añade un aumento
en la inversión, pero, se ha demostrado que en un cierto periodo de tiempo, resultan en un ahorro
sustancial de combustible y en el sistema de retorno de condensado.
Los fabricantes de materiales aislantes, entregan un sin fin de posibles alternativas aplicables a
un mismo problema, siendo responsabilidad del diseñador calcular y seleccionar una aislación que
proporcione un estimado ahorro de energía, contemplando variables de interés como, costo de inver-
sión, limitaciones espaciales, estética o las correspondientes restricciones económicas existentes en el
emprendimiento de un proyecto.
El presente documento, entrega las herramientas para abordar un problema de aislación térmica
en una típica planta generadora de vapor. Además, se introducen cálculos correspondientes al dimen-
sionamiento de una red de vapor típica, contemplando los distintos elementos existentes en ella. Otro
aspecto importante al transportar vapor por distancias considerables, suele ser el diseño de la red de
condensados, tema tratado en el siguiente trabajo.
v
§ CAPÍTULO 0. INTRODUCCIÓN � vi
Cálculo de aislación en red de vapor Universidad Austral de Chile
1Problema de Diseño y Objetivos
1.1. Problema
Se tiene que decidir acerca del espesor de aislamiento térmico ideal a utilizar en una red de vapor
ubicada en una instalación industrial. Ésta consta de una caldera de 1000 kgv/hr, que opera a presión
de 10 atm. La distancia a recorrer por la matriz principal es de 150 m, siendo necesario considerar la
condensación existente en el tramo.
1.2. Objetivos
1.2.1. Objetivo general
Diseñar una red de vapor que cumpla con la necesidad del cliente, entregando una solución eficiente
antes aspectos económicos, energéticos y técnicos.
1.2.2. Objetivos específicos
Seleccionar un tipo de aislación aplicable a la necesidad, considerando su disponibilidad en el
mercado.
Calcular mediante los mecanismos de transferencia de calor conocidos, el espesor óptimo de
aislación.
Calcular la capacidad de extracción de condensado de la trampa de vapor.
Analizar la viabilidad del aislamiento seleccionado bajo criterios energéticos y económicos.
1
2Marco Teórico
El estudio y diseño de redes de transporte se vincula directamente con el estudio del gradiente
de temperatura existente entre dos sistemas. Dicha situación es estudiada en detalle por la rama de
la física denominada transferencia de calor, la cual guiará capítulos posteriores del presente informe
correspondiente a la selección óptima de un aislante para una red de vapor que estará enfocada en el
trabajo expuesto por los autores del libro “Principios de transferencia de calor” Frank Kreith, profesor
de la Universidad de Colorado, y Mark S. Bohn vicepresidente ingeniería RENTECH S.A.
2.1. Conceptos básicos de transferencia de calor
La termodinámica es la rama científica que se ocupa de la relación entre el calor y otras formas de
energía, ésta generaliza observaciones en leyes idealmente validas para todos los procesos que ocurren
en la naturaleza. Estas son, principalmente, la primera ley y la segunda ley de la termodinámica. Los
procesos de transferencia de calor deben obedecer a estas dos leyes de la termodinámica.
Como se menciona en el libro principios de transferencia de calor “para estimar el costo, la fac-
tibilidad y el tamaño del equipo necesario para transferir una cantidad determinada de calor en un
tiempo dado, habrá que realizar un detallado análisis de transferencia de calor”, postulado con el que
se reafirma y se da gran importancia proceder con formulaciones de conducción y convección de calor
expuestas más adelante.
2.1.1. Conducción de calor
Es el proceso mediante se transfiere calor a través de un sólido. Viendo el caso unidimensionalmen-
te, al existir un gradiente de temperatura en un medio sólido, el calor fluirá de la región de mayor
temperatura a menor temperatura. Para una razón de transferencia de calor por conducción qk, es
proporcional al gradiente de temperatura dT/dx por el área a través de la cual se transfiere el calor.
La constante de esta proporcionalidad es el término k, la cual es propiedad física del medio por donde
se realiza el flujo. De esta manera para un medio homogéneo, la tasa de transferencia de calor es:
2
§ CAPÍTULO 2. MARCO TEÓRICO � 3
qk = −kA(dT/dx) (2.1.1)
Esta ecuación define la transferencia de calor por conducción, se conoce como la Ley de Fourier.
Las unidades de medida de los componentes de la ecuación de conducción de calor se dan en la siguiente
tabla expresados en el sistema internacional y en el sistema inglés.
TABLA 2.1.1 – Unidades de medida de calor por conducción en los principalessistema de medición.
Medida Sistema Internacional Sistema InglésÁrea (A) Metros cuadrados (m2) Pies cuadrados (ft2)Temperatura (T ) Grados Kelvin (K) Grados Fahrenheit (°F)x Metros (m) Pies ft
Razón de flujo de calor qk Watts (W ) BTU/hr
Conductividad térmica (k) W/mK BTU/hrftF
2.1.1.1. Conducción en paredes planas
Cuando en una pared la transferencia de calor se comporta de manera uniforme y, además, el
gradiente de temperatura y el flujo de calor no varían con el tiempo, se denomina régimen estacionario.
Por lo tanto, las variables de la ecuación (2.1.1) se pueden despejar integrando con límites que se
observan en la figura (2.1.1).
qkL = −Ak(T2 − T1) (2.1.2)
Ordenando se tiene:
qk = (T1 − T2)L/Ak
(2.1.3)
El término L/Ak representa la resistencia térmica que la pared ofrece al flujo de calor por conducción.
Rk = L/Ak (2.1.4)
Para efectos de cálculos, es posible realizar una analogía termo-eléctrica donde el flujo de calor a
través de la pared, será igual al gradiente de temperaturas divido por la sumatoria de las resistencias
térmicas presentes.
2.1.1.2. Conducción de calor en paredes cilíndricas
De acuerdo con la ecuación (2.1.1), y cambiando el valor dx por un dr correspondiente al radio del
cilindro en cuestión, obtenemos:
Cálculo de aislación en red de vapor Universidad Austral de Chile
§ CAPÍTULO 2. MARCO TEÓRICO � 4
Fig. 2.1.1: Conducción en una pared plana.
qk = 2πLk(Ti − T0)ln(r0/ri)
(2.1.5)
Fig. 2.1.2: Conducción en paredes cilíndricas.
Al igual que en caso anterior, existe una resistencia térmica expresada en la la ecuación (2.1.5), la
cual está dada por:
Rth = ln(r0/ri)2πLk
(2.1.6)
Aplicando estas ecuaciones en un tubo recubierto con un material aislante o un tubo con distintas
capas de materiales, se obtiene una ecuación generalizada para el cálculo de transferencia de calor.
Haciendo la analogía correspondiente con circuitos en serie se obtiene:
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§ CAPÍTULO 2. MARCO TEÓRICO � 5
q = ∆T∑Rth
(2.1.7)
2.1.2. Convección de calor
La transferencia de calor por convección está presente al existir contacto entre un fluido y un medio.
Siempre que exista un gradiente de temperatura. Este tipo de transferencia de calor se compone de
dos mecanismos: convección natural y convección forzada.
La convección natural está asociada cuando el movimiento del fluido solo se debe a diferencias de
densidad producidas por gradientes de temperaturas y no es auxiliado por una bomba o ventilador.
Cuando el movimiento del fluido se debe en parte a la acción de una bomba o ventilador será convección
forzada.
La transferencia de calor por convección entre una superficie y un fluido se calcula con la relación:
qc = hcA∆T (2.1.8)
Donde:
TABLA 2.1.2 – Unidades de medida de calor en convección en los principalessistema de medición.
Medida Significado Unidad de medida, sistema interna-cional (inglesa)
qc Transferencia de calor por convección W (Btu/hr)A Área de transferencia m2 (ft2)
∆TDiferencia entre temperatura superficial y tempe-ratura del fluido K (°F)
hcCoeficiente de transferencia de calor por convec-ción promedio a través del área A
W/m2K (Btu/hrft2F )
Al igual que en el caso de la transferencia de calor por conducción, se hace analogía termo-eléctrica
obteniendo como resistencia térmica la siguiente expresión:
Rc = 1hcA
(K
W
)(2.1.9)
2.1.3. Coeficiente global de transferencia de calor
Sintetizando los mecanismos de transferencia de calor ( por conducción y convección), estos se
pueden dar en conjunto, es decir, normalmente los problemas abarcan ambos mecanismos de trans-
ferencia. Para estos casos, utilizar una analogía termo-eléctrica facilita la comprensión y los cálculos
de transferencia de calor, donde sólo interesa la temperatura interior, la temperatura exterior y las
Cálculo de aislación en red de vapor Universidad Austral de Chile
§ CAPÍTULO 2. MARCO TEÓRICO � 6
resistencias térmicas (de convección y conducción) individuales de cada material y/o fluido por donde
se transfiere el calor.
q = ∆T∑Ri
(2.1.10)
Esta ecuación es de conveniencia simplificarla, combinando las resistencias individuales del sistema
térmico en una cantidad llamada coeficiente total de transferencia de calor U . Así la ecuación (2.1.10)
queda:
q = UA∆T (2.1.11)
UA = 1∑Ri
(2.1.12)
Velocidad
Se define velocidad de un fluido en una tubería como el avance lineal por unidad de tiempo de una
sección infinitesimal de la vena líquida contenida en la conducción. Se expresa en unidades de longitud
por unidad de tiempo.
Caudal
Se define caudal como la cantidad de fluido que circula en una conducción por unidad de tiempo.
Puede expresarse en unidades másicas por unidad de tiempo o bien en unidades volumétricas por
unidad de tiempo.
Densidad
La densidad es la masa de fluido contenida en la unidad de volumen. En los líquidos depende de la
temperatura, siendo menor cuanto más alta sea la misma. En los gases y en el vapor, las variaciones
de densidad son más importantes que en los líquidos y dependen de la temperatura y de la presión.
Viscosidad
La viscosidad de un fluido (líquido, vapor, gas) representa el valor de los rozamientos internos que
se oponen a su movimiento. Su conocimiento es esencial para determinar el comportamiento de este
fluido cuando está en movimiento, así como la pérdida de carga en las tuberías. Hay que considerar dos
tipos de viscosidad. La viscosidad dinámica que se expresa en poises (P), unidad del sistema CGS o
más habitualmente en centipoises (cP). Se la designa habitualmente por la letra griega µ y la viscosidad
cinemática que se expresa en stokes (St), unidad del sistema CGS o más habitualmente en centistokes
(cSt). Se la designa habitualmente por la letra griega ϑ.
Cálculo de aislación en red de vapor Universidad Austral de Chile
§ CAPÍTULO 2. MARCO TEÓRICO � 7
Estas dos magnitudes están relacionadas entre sí por la expresión:
ϑ = µ
ρ(2.1.13)
Donde ρ es la densidad del fluido.
La viscosidad de los líquidos y de los gases varía muy rápidamente con la temperatura. Aumenta
para los gases y disminuye para los líquidos, cuando la temperatura aumenta.
Rugosidad
Es una característica propia de cada tubería; hay dos formas de expresar la rugosidad:
Absoluta (ε): Es la altura media de las asperezas interiores de la tubería.
Relativa (ε/D): Es la relación entre la rugosidad absoluta y el diámetro de la tubería.
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3Cálculo de Red de Vapor
En el diseño y dimensionamiento de una red de vapor existen distintas maneras de proceder, todas
con la misma valides. El procedimiento a utilizar en el siguiente calculo, parte con la selección del
diámetro de la cañería a utilizar, entregado por medio de tablas que relacionan parámetros tales como;
Presión, caudal y velocidad del vapor en el interior de la cañería.
El primer paso en el cálculo de redes de vapor, es establecer el rango de velocidades máximas dentro
de cada tubería. Estas son recomendadas y definidas en la tabla (3.0.1).
TABLA 3.0.1 – Velocidad máxima recomendable en las redes de vapor.Fuente: Cortesía de Spirax Sarco.
Presión (bar) Velocidad Máxima recomendable (m/s)Saturado Recalentado
<2 30 352-5 35 455-10 40 5010-25 50 6025-100 60 75
Al considerarse el fluido a transportar como vapor saturado, la tabla (3.0.1) entrega los valores
máximos de velocidad del fluido en función a la presión que se encuentre este. Por lo tanto, se define el
valor máximo de velocidad para una presión de 10 bar, la cual no deberá superar los 40 m/seg. Sabiendo
que el caudal a transportar es 1000 kgv/hr, a una presión de 10 bar y con una velocidad inferior a
40 m/seg, es posible obtener el diámetro de la cañería a seleccionar directamente de la figura (A.0.2).
El diámetro recomendable para la cañería a seleccionar es de 49 mm. Sin embargo, en el mercado no
es posible encontrar una cañería con tales dimensiones, por lo tanto, se escogerá una cañería con un
diámetro cercano al recomendado. La cañería seleccionada es la Sch 40 (equivalente a la ASTM A53)
de 2”. Los datos técnicos de esta cañería se presentan a continuación.
8
§ CAPÍTULO 3. CÁLCULO DE RED DE VAPOR � 9
Información Técnica cañería Sch 40
Diámetro nominal: 2”Diámetro interior: 52,5 mmDiámetro exterior: 60,32 mmEspesor: 3,91 mmRugosidad absoluta: 0,046 mm
Cálculo pérdidas de carga
Para el cálculo de pérdidas de carga en una tubería que transporta vapor se deben considerar las
siguientes variables:
Temperatura del vapor.
Presión del vapor.
Longitud del tramo de la tubería recta.
Número y tipos de accesorios existente en la tubería.
Tipo de tubería y rugosidad absoluta asociada.
Diámetro de la tubería.
Caudal de trabajo.
Elementos componentes de la red de vapor
Otro aspecto importante en el cálculo de pérdidas de carga en una red de vapor, son las pérdidas
singulares provocadas por los diferentes elementos que la componen. Estas pérdidas serán tratadas
como una longitud equivalente, es decir, como una prolongación de la red de vapor.
Por ejemplo, al instalar una válvula de globo en la línea de transporte, se producirá una perdida
equivalente a agregar 15,7 mts adicionales a la red de vapor. Los distintos elementos existentes en la red
de vapor se presentan en la tabla (3.0.2), identificando la cantidad de estos y su longitud equivalente
aportada como pérdida.
TABLA 3.0.2 – Elementos componentes de la red de vapor. Datos de pérdida enlongitud equivalente.Fuente: Información extraída de Spirax Sarco.
Elemento Le/D Cantidad Longitud equivalenteVálvula de Globo 300 1 15,7506Codo 90°Radio grande 20 2 2,10008Trampa de vapor 320 1 16,80064
Total 34,65132
Cálculo de aislación en red de vapor Universidad Austral de Chile
§ CAPÍTULO 3. CÁLCULO DE RED DE VAPOR � 10
Datos para el cálculo
Caudal: 1000 kgv/hrPresión trabajo: 10,13 barViscosidad dinámica vapor: 0,01507 cPTemperatura de saturación: 180°CDensidad del vapor: 5,203 kg/m3
Largo de línea: 150 mtsLa viscosidad cinemática se puede calcular en función de la viscosidad dinámica y la densidad del
vapor.
ϑ = µ
ρ= 0, 01507 · 103
5, 203= 2, 896 (cSt)
El caudal volumétrico se obtiene relacionando el caudal de trabajo y la densidad del vapor,
Q = Qm
ρ= 1000(kg/h)
5, 203(kg/m3)= 192, 19(m3/h)
La velocidad del vapor dentro de la cañería se obtiene en relación con el caudal volumétrico, de la
siguiente manera:
V = 4Q
πD2 = 4 · 192, 18 · 106
π · 52, 52 · 3600= 24, 67(m/s)
Nótese que la velocidad obtenida se encuentra dentro del rango recomendable señalado en la tabla
(3.0.1).
El número de Reynolds se calcula en función del caudal volumétrico y la geometría de la cañería.
Este parámetro entrega información sobre el comportamiento del fluido dentro de la red.
N° Reynolds = 4 · 106Q
3, 6πDϑ= 4 · 106 · 192, 19
3, 6π52, 5 · 2, 896= 447238
El valor obtenido indica que el fluido es de carácter turbulento.
Para obtener el factor de fricción, se debe entrar al diagrama de Moody (ver anexo A.0.3) con los
valores de la rugosidad relativa y el número de Reynolds calculado previamente. La rugosidad relativa
es la relación entre la rugosidad absoluta de la cañería dividido por el diámetro de la misma. Esto es:
RugosidadRelativa = ε
D= 0, 046
52, 5= 0, 000876
Una vez obtenido el valor de la rugosidad relativa y calculado el N° de Reynolds, es posible obtener
el factor de fricción directamente del diagrama de Moody.
f = 0, 026
Para obtener la perdida de carga en el tramo consideramos el largo de la red, añadiendo a esta el
largo equivalente producto de las perdidas singulares. La red posee un largo de 150 mts, sumando al
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§ CAPÍTULO 3. CÁLCULO DE RED DE VAPOR � 11
largo equivalente aportado por cada elemento instalado en la red, se obtiene un largo de 184,65 mts.
Por lo tanto, la perdida de carga en metros columna de vapor será:
hf = fl
D
V 2
2g= 0, 0026 · (150 + 34, 65) · 103
52, 5· 24, 672
2 · 9, 81= 2837, 23 (m.c.v.)
Transformando los m.c.v. a bar es obtiene:
hf = 2837, 23 · 9, 81 · 5, 203 · 10−5 = 1, 44 (bar)
Por lo tanto, la caída de presión en la red de vapor es de 1,44 bar. Este resultado entrega el vapor
la presión en el punto final de la red de vapor la cual sería de 8,69 bar.
Cálculo de aislación en red de vapor Universidad Austral de Chile
4Cálculos del Aislamiento Térmico
4.1. Aislamiento térmico
La necesidad de aislamiento térmico en la industria obedece una serie de factores, cuyo control está
directamente relacionado con la buena especificación e instalación de materiales aislantes térmicos.
Estos factores serán determinantes para la correcta elección del tipo de material y espesor que se debe
utilizar. Entre los factores más comunes se puede señalar:
Económicos: Evitar la disipación de calor o de frío. Optimizando el uso de la energía en procesos
productivos
Seguridad: protección contra eventuales quemaduras que pueda sufrir el personal que circula
en zonas donde existen ductos, equipos o estanques a altas temperaturas.
Físicos: Mantener la viscosidad de un cuerpo tal como los aceites pesados, betunes, etc. Durante
los procesos de fabricación o durante su posterior transporte
Climáticos: Evitar la condensación del aire atmosférico sobre paredes o tuberías de los equipos,
o que se congelen fluidos que circulan por cañerías o que sean almacenados en estanques.
Confort: mantener el ambiente agradable para las personas que laboran dentro de una instala-
ción industrial.
El aislante térmico seleccionado por el equipo de diseño es el AISLAN caños premoldeados, los
cuales son fabricados por Volcan, una empresa Chilena experta en soluciones en aislamiento térmico y
acústico. En la figura (4.1.1). Se presenta el aislamiento seleccionado.
12
§ CAPÍTULO 4. CÁLCULOS DEL AISLAMIENTO TÉRMICO � 13
Fig. 4.1.1: Aislamiento térmico de cañerías AISlAN.Fuente: Catálogos de productos Volcan.
En la tabla (4.1.1). Se presentan la conductividad termina del material la cual varia con la densidad
del mismo. Los valores presentados fueron obtenidos a una temperatura ambiente de 20°C.
TABLA 4.1.1 – Conductividad Térmica y densidad del material.
Densidad Aparente (kg/m3) Conductividad Térmica (W/m°C)40 0,04280 0,038100 0,039120 0,043
En la figura (4.1.2). Están graficados los valores de conductividad térmica del material en función
de la densidad. Los valores entregados fueron obtenidos mediante ensayos en laboratorio del CESMEC
y obedecen a lo acordado en la norma Nch 850 equivalente a la ASTM C-177.
Cálculo de aislación en red de vapor Universidad Austral de Chile
§ CAPÍTULO 4. CÁLCULOS DEL AISLAMIENTO TÉRMICO � 14
Fig. 4.1.2: Gráfico de conductividad Térmica v/s densidad.
En la tabla (4.1.2). Se comparan las concentraciones de los distintos elementos tóxicos que componen
el material en relación a la máxima concentración permisible según el método EPA 1311.
TABLA 4.1.2 – Concentración de elementos tóxicos presentes en el material enrelación con la máxima concentración permisible.
Elementos de Toxicidad Característicos (Test TCLP)Elemento mg/l Concentración Máxima Permisible EPA 1311 (mg/l)Plomo <0,2 5,0Cadmio <0,05 1,0Mercurio <0,01 0,2Cromo <0,1 5,0Bario <5 100,0Selenio <0,05 1,0Arsénico <0,2 5,0Plata 0,7 —Fenol <0,1 —Formaldehido 0,8 —
Ensayos de combustibilidad desarrollados al material, demuestran que este no es combustible,
poseyendo un punto de fusión de 1090°C.
Cálculo de aislación en red de vapor Universidad Austral de Chile
§ CAPÍTULO 4. CÁLCULOS DEL AISLAMIENTO TÉRMICO � 15
Fig. 4.1.3: Certificación entregada por el fabricante.
4.2. Cálculo de pérdidas de calor
La cañería a utilizar corresponde a la ASTM A53 de 2”.
Datos para el cálculo:
Tipo de aislante: AISLAN caño premoldeadoConductividad térmica: 0.038 W/m°CDiámetro nominal cañería: 60.2 mmDiámetro interior cañería: 52.5 mmEspesor de aislante de prueba: 80 mmTemperatura exterior (ambiente): 20°CTemperatura interior (cañería): 180°CConductividad térmica cañería: 47 W/mKCoeficiente convectivo exterior: 30 W/m2KCoeficiente convectivo interior: 15000 W/m2K
Los parámetros convectivos utilizados en el siguiente análisis, fueron obtenidos de l tabla 1.4 del
libro ”Transferencia de Calor”, Kreith/Bonh. Los parámetros conductivos de los materiales utilizados
fueron extraídos directamente de los catálogos de proveedores.
Las pérdidas de calor a lo largo de la cañería serán tomadas como constantes, es decir, se descon-
siderará la caída de temperatura por conceptos de pérdidas de presión. Por lo tanto, se calculará la
transferencia de calor por unidad de longitud, la cual viene dada por la siguiente expresión:
q
L= T1 − T2
1h12πr1
+ ln(r2/r1)2πk1
+ ln(r3/r2)2πk2
+ 1h22πr3
= T1 − T2
R1 + R2 + R3 + R4(4.2.1)
La ecuación (4.2.1). Presenta la transferencia de calor radial en una cañería aislada. En la figura
(4.2.1). se presenta un corte transversal de la red de vapor, identificando las distintas variables que
intervienen en el cálculo.
En la figura (4.2.2). se presenta un esquema termo-eléctrico del caso a estudiar, donde las resisten-
cias térmicas asociadas son:
Cálculo de aislación en red de vapor Universidad Austral de Chile
§ CAPÍTULO 4. CÁLCULOS DEL AISLAMIENTO TÉRMICO � 16
Fig. 4.2.1: Corte transversal de la cañería aislada. Identificación de pará-metros a considerar en el cálculo.
Fig. 4.2.2: Esquema Termo-Eléctrico de una cañería aislada para transpor-te de vapor saturado.
Descripción de las resistencias térmicas:
Resistencia térmica 1: Corresponde a la oposición que ejerce el vapor saturado existente en
el interior de la cañería al flujo de calor. esta resistencia térmica es de tipo convectiva.
Resistencia térmica 2: Es la oposición que ejerce el espesor de la cañería al paso del flujo de
calor, siendo esta resistencia del tipo conductiva.
Resistencia térmica 3: Es la oposición que presenta el aislante térmico al flujo de calor, siendo
esta del tipo conductiva.
Resistencia térmica 4: Es la oposición que ejerce el aire a temperatura ambiente al flujo de
calor, considerándose esta de tipo convectiva.
Se calculará la pérdida de calor por unidad de longitud de la cañería sin aislación y con aislación.
Para calcular el calor transferido sin aislación solo se debe eliminar la resistencia térmica provocada
por el aislante, considerando el cambio del radio exterior, esto es:
Cálculo de aislación en red de vapor Universidad Austral de Chile
§ CAPÍTULO 4. CÁLCULOS DEL AISLAMIENTO TÉRMICO � 17
q
L= T1 − T2
1h12πr1
+ ln(r2/r1)2πk1
+ 1h22πr2
= T1 − T2
R1 + R2 + R3(4.2.2)
Ingresando los valores se obtiene:
q
L= 180 − 20
115000 · 2π · 0, 0262
+ ln(0, 0301/0, 00262)2π · 47
+ 130 · 2π · 0, 0301
= 902, 85 (W/m)
Por lo tanto, la transferencia de calor lineal, o en este caso, el calor perdido por unidad de longitud
es de 902,85 W/m.
La influencia del coeficiente convectivo en el interior de la cañería, hace prácticamente despreciable
su resistencia térmica. Lo mismo sucede con los materiales sólidos, mientras más alto sea su coeficiente
de conducción térmica, menor resistencia ofrecerán al flujo de calor.
Se repite el procedimiento utilizando la ecuación (4.2.1). Para este cálculo se considerará el aislante
seleccionada con un espesor de prueba de 8 cm.
q
L= 180 − 2
115000 · 2π · 0, 0262
+ ln(0, 0301/0, 0262)2π · 47
+ ln(0, 11/0, 0301)2π · 0, 038
+ 130 · 2π0, 11
= 29, 17 (W/m)
Se puede apreciar que bajo las mismas condiciones y haciendo uso del aislante con un espesor de
8cm, se obtiene una pérdida de calor por unidad de longitud de 29,17 W/m.
% ahorro = 100 ·ql (Sin aislación) − q
l Con aislaciónql (Sin aislación)
= 100 · 902, 85 − 29, 17902, 85
= 96, 76 %
Por lo tanto, al utilizar el aislante seleccionado con un espesor de 8cm se obtiene un ahorro energético
de 96.76 %. Si bien es cierto, al aumentar el espesor del aislante se reducen las pérdidas de calor,
encontrar un espesor óptimo requerirá de un análisis distinto. En la sección siguiente, se ofrece un
análisis técnico-económico donde se desarrolla este tema.
Cálculo de aislación en red de vapor Universidad Austral de Chile
5Cálculo de Consumo de Combustible de la Caldera y
Demanda de la Red de Vapor
5.1. Cálculo de consumo de combustible de la caldera
El consumo de combustible que demandará el funcionamiento de una caldera a una presión de 10
atm y con un flujo másico de 1000 kgv/hr está dada por la siguiente expresión:
Cc = Q
ηPcalor inferior(5.1.1)
donde:
Cc : Consumo de combustible (kg/hr)
Q : Calor (kJ/hr)
η : Eficiencia de la cadera
Pcalor inferior : Poder calorífico inferior (kJ/kg)
Se asumirá una eficiencia de 70 % por parte de la caldera que funcionará con carbón, cuyo poder
calorífico inferior es de 27007, 7 (kJ/kg) aproximadamente.
Para el cálculo del calor que necesitará la caldera para cumplir con lo anterior estará regido por la
siguiente expresión:
Q = m∆h (5.1.2)
Donde:
18
§ CAPÍTULO 5. CÁLCULO DE CONSUMO DE COMBUSTIBLE DE LA CALDERA Y DEMANDA DE LA RED DEVAPOR � 19
m : Flujo másico
∆h : Diferencia de entalpía
Q = m · (hs − he)
he : Entalpía de entrada
hs : Entalpía de salida
hs = ff + x · hfg
El estado del agua de alimentación procedente de algún tanque de condesado se asumirá que va a
tener una temperatura de 60°a presión atmosférica. Por lo tanto su valor de entalpía es de:
he = hf = 251, 4 (kJ/kg)
El estado de la sustancia de trabajo en la salida de la caldera tendrá un título de vapor del 95 % y
una presión de 10 atm. Por consiguiente, su entalpía es de:
hfg = 2015, 3 (kJ/kg)
hf = 762, 81 (kJ/kg)
=⇒ hs = 762, 81 + 0, 95 · 2015, 3 = 2677, 345 (kJ/kg)
Con todo lo anterior, el valor del calor necesario para producir este cambio de estado del agua será
de:
Q = 1000kg
h· (2677, 345 − 251, 4)kJ
kg= 2425945kJ
h
Finalmente, el consumo de combustible será de:
Cc =2425945kJ
h
0, 7 · 27007, 7kJ
kg
= 128, 32kg
h
5.2. Cálculo de combustible en la red de vapor
Una vez calculado el combustible a utilizar en la caldera, es necesario conocer la cantidad de carbón
adicional que se debe usar por tema de pérdida de calor en la red de vapor.
Para determinar ésta variable se usará la siguiente expresión:
Cálculo de aislación en red de vapor Universidad Austral de Chile
§ CAPÍTULO 5. CÁLCULO DE CONSUMO DE COMBUSTIBLE DE LA CALDERA Y DEMANDA DE LA RED DEVAPOR � 20
Cc(kg/h) = kgV/h · Tit · ∆h
Pinf · η(5.2.1)
donde:
kg/h : Toneladas de combustible por hora de uso.
kgV/h : Toneladas de vapor hora que genera la caldera.
Tit(x) : Título del vapor.
∆h : Diferencias de entalpías.
Pinf : Poder calorífico inferior del combustible.
η : Eficiencia de la caldera con respecto al combustible.
El primer cálculo se realizará con la linea de cañería sin aislante. Para ello se calculará lo siguiente:
Calor cedido por metro lineal(Q) = 902, 85 (W/m)
Longitud de la línea = 150 (m)
Flujo másico m = 1000 (kgv/h)
Entalpías a la presión de 8,69 bar
hf = 757, 156 (kJ/kg)
hfg = 2019, 44 (kJ/kg)
hg = 2776, 6 (kJ/kg)
Como Q = m∆h
=⇒ ∆h = Q
m
∆h = 902, 85 · 1501000/3600
= 487, 539 (kJ/kg)
Por lo tanto, la calidad es:
hs = hg − ∆h = hf + x · hfg =⇒ x = hs − hf
hfg= 0, 75
Ingresando los valores en la ecuación (5.2.1)
Cc(sin aislante)(kg/h) =1000kg
h· 0, 75 · 487, 5kJ
kg
27207, 7kJ
kg· 0, 7
= 19, 19kg
h
Cálculo de aislación en red de vapor Universidad Austral de Chile
§ CAPÍTULO 5. CÁLCULO DE CONSUMO DE COMBUSTIBLE DE LA CALDERA Y DEMANDA DE LA RED DEVAPOR � 21
Los datos de ∆h y la calidad (x) para los demás consumos en las líneas se obtendrán de las planillas
Excel adjuntadas en el informe.
Usando un aislante con un espesor de 4 cm:
Cc(aislante 4 cm)(kg/h) =1000kg
h· 0, 881 · 23, 818kJ
kg
27207, 7kJ
kg· 0, 7
= 1, 2357kg
h
Usando un aislante de 5 cm:
Cc(aislante 5 cm)(kg/h) =1000kg
h· 0, 9897 · 20, 72kJ
kg
27207, 7kJ
kg· 0, 7
= 1, 0767kg
h
Disponiendo de un aislante de 6 cm:
Cc(aislante 6 cm)(kg/h) =1000kg
h· 0, 9908 · 18, 56kJ
kg
27207, 7kJ
kg· 0, 7
= 0, 9655kg
h
Con un aislante de 7 cm:
Cc(aislante 7 cm)(kg/h) =1000kg
h· 0, 9916 · 16, 97kJ
kg
27207, 7kJ
kg· 0, 7
= 0, 8835kg
h
Emplear un aislante de 8 cm de espesor:
Cc(aislante 8 cm)(kg/h) =1000kg
h· 0, 9922 · 1575kJ
kg
27207, 7kJ
kg· 0, 7
= 0, 8205kg
h
5.3. Precio del carbón a la fecha de Enero de 2008
El precio del carbón en la fecha de Enero del 2008, según el Ministerio de Energía de Chile, es de
148,77 dolares por tonelada de combustible. (178,44 US$/Ton)
Con lo anterior, el precio de carbón por kilogramo es de1 71,78 $/kg.
1Valor del dolar observado: $485 chilenos en el día 22 de Abril de 2012.
Cálculo de aislación en red de vapor Universidad Austral de Chile
6Análisis Técnico-Económico
6.1. Ahorro energético en función del espesor
Según los cálculos desarrollados en la sección anterior, se demostró que utilizando el aislante selec-
cionado con un espesor de 8 cm, se reduce drásticamente la pérdida de calor, obteniendo un ahorro
energético superior al 96 %.
En este estudio se le dará una visión distinta al cálculo, donde se determinará el espesor óptimo
para la necesidad. Los criterios a utilizar en este análisis serán:
Mayor ahorro energético
Menor espesor posible de utilizar
Estética y uso del espacio
Al aumentar el espesor se logra disminuir las pérdidas energéticas, pero, se añade un mayor costo
de inversión.
Siguiendo el mismo procedimiento desarrollado en la sección previa, se presenta el valor de calor
perdido por unidad de longitud, y el porcentaje de ahorro energético al utilizar distintos tamaños de
espesores. Ver tabla (6.1.1).
Estos valores son graficados en la figura (6.1.1).
La gráfica de los valores demuestra que al aumentar el espesor del aislante se incrementa el ahorro
energético, pero al superar cierto espesor, tiende a mantenerse considerablemente constante.
La figura (6.1.2), demuestra lo planteado anteriormente. Al aumentar el espesor del aislante consi-
derablemente, las pérdidas energéticas tienden a mantenerse constantes.
Además, en la figura (6.1.2) se presenta la tendencia de los distintos valores graficados. La recta de
tendencia posee una pendiente casi nula, demostrando que al aumentar el espesor de la aislación a un
valor considerablemente alto, las pérdidas energéticas se pueden considerar como constantes.
22
§ CAPÍTULO 6. ANÁLISIS TÉCNICO-ECONÓMICO � 23
TABLA 6.1.1 – Ahorro energético a diferentes espesores.
Espesor (mts) Pérdida (W/m) % ahorro energético0,01 119,8 86,730949330,02 71,37 92,095057210,04 44,2 95,104407010,06 34,37 96,193178030,08 29,17 96,769130150,1 25,9 97,131315420,2 18,71 97,927679980,3 15,91 98,237808040,4 14,34 98,411701280,5 13,29 98,52799930,6 12,54 98,611069320,7 11,96 98,675310130,8 11,5 98,726259740,9 11,12 98,768348551 10,8 98,803791762 9,06 98,99651423 8,27 99,084014624 7,79 99,137179435 7,45 99,174837836 7,2 99,202527847 7 99,224679848 6,83 99,243509059 6,69 99,2590154510 6,57 99,27230665
Analizando un rango de espesores más razonable, es posible notar que los valores destacados en la
tabla (6.1.2), demuestran un ahorro energético considerable sin un aumento desproporcionado de sus
espesores.
TABLA 6.1.2 – . Rango acotado de espesores. Datos de pérdida y ahorroenergético con respecto a la red sin aislación.
Espesor (mts) Pérdida (W/m) % ahorro energético0,01 119,8 86,730949330,02 71,37 92,095057210,04 44,2 95,104407010,06 34,37 96,193178030,08 29,17 96,769130150,1 25,9 97,131315420,2 18,71 97,927679980,3 15,91 98,237808040,4 14,34 98,41170128
Cálculo de aislación en red de vapor Universidad Austral de Chile
§ CAPÍTULO 6. ANÁLISIS TÉCNICO-ECONÓMICO � 24
Fig. 6.1.1: Gráfico de % de ahorro energético (con respecto a la cañería sonaislación)al utilizar distintos tamaños de espesores.
Fig. 6.1.2: . Perdidas de calor v/s espesor. Adicionalmente, se identifica latendencia de los datos.
6.2. Selección del espesor óptimo
El costo de la aislación por aumento de espesor es considerablemente alto. Además, la estética de
la instalación y el correcto uso del espacio son aspectos importantes de evaluar.
El resultado de la cotización presente en el anexo (A.0.4), se puede interpretar del siguiente gráfico
(figura 6.2.1).
Cálculo de aislación en red de vapor Universidad Austral de Chile
§ CAPÍTULO 6. ANÁLISIS TÉCNICO-ECONÓMICO � 25
Fig. 6.2.1: Aumento de la inversión según espesor. Datos obtenidos de co-tización realizada a empresa Volcán.
Periodo para la recuperación de la inversión
El estudio del VNA, conocido como el valor neto actual, es uno de los métodos más usados para
decidir si una inversión es recuperada o viable en un cierto periodo de tiempo.
TABLA 6.2.1 – Estudio del Valor Neto Actual de la inversión (VNA).Espesoraislante
(cm)Longitud Precio
($)x0,9 m Descuento % Inversión ($)Combustibleahorrado(kg/h)
1erAño 2doAño VNA
4 150 3.694 5 584.833,33 24,25 584.833,33 15.039.345,60 13.087.249,035 150 5.066 5 802.116,67 24,61 802.116,67 15.262.610,11 13.072.983,446 150 6.606 5 1.045.950,00 24,74 1.045.950 15.343.233,41 12.902.444,017 150 10.300 5 1.630.833,33 24,86 1.630.833,33 15.417.654,91 12.385.216,59
Consumo permanente de combustible (kg/h): 128,01Consumo gastado sin aislación (kg/h): 154,01
Precio combustible ($xkg): 71,78
En la tabla (6.2.1), se aprecian los correspondientes valores de la inversión, según el espesor del
aislante. Los cálculos previos, relacionados con el consumo de combustible, sugieren una evidente
disminución al aumentar el espesor de la aislación. A raíz de este análisis, se puede determinar un
ahorro de combustible según espesor, con respecto a la cañería sin aislación. Por ejemplo, sabemos que
la caldera consume constantemente 128,32 kg/hr de combustible. Sin el uso de aislación, se consumirá
un total de 25,69 kg/hr de combustible adicional para lograr producir el vapor, transportándolo al su
correspondiente consumo. Al utilizar una aislación de 4 cm de espesor, solo se consumirán 1,23 kg/hr
adicionales. Entonces el ahorro de combustible, respecto a la cañería sin aislación es:
Cálculo de aislación en red de vapor Universidad Austral de Chile
§ CAPÍTULO 6. ANÁLISIS TÉCNICO-ECONÓMICO � 26
Combustible (ahorrado) = (128, 32 + 25, 69) − (128, 32 + 1, 23) = 24, 25 (kg/h)
Si calculamos la cantidad de combustible que se ahorra utilizando una aislación de 4 cm de espesor,
en un periodo de 1 año, se obtiene:
24, 25kg
h· 24 h
día30 día
mes· 12meses
año= 209520 kg
año
Según estudios del ministerio de energía, el precio del carbón mineral por cada kilogramo es de
$71,78. Por lo tanto, al año se ahorraría una suma superior a $15.000.000.
209520 (kg) · $72, 78 = $15,039,345
El VNA es un parámetro que indica la viabilidad económica de cierta inversión. Si el estudio entrega
un VNA negativo, indicará que la inversión no es económicamente viable. De lo contrario, mientras
mayor sea el VNA, más factible será la inversión.
Viendo la tabla (6.2.1), es posible identificar que utilizando cualquiera de los espesores señalados,
se recuperará la inversión en un plazo inferior a un año, pudiéndose aprobar la inversión en todos los
casos. Sin embargo, se obtiene el mayor VNA con un espesor de 4cm. A raíz del análisis realizado, se
selecciona el aislante de 4cm de espesor, ya que, es considerado la mejor inversión.
Cálculo de aislación en red de vapor Universidad Austral de Chile
§ CAPÍTULO 6. ANÁLISIS TÉCNICO-ECONÓMICO � 27
6.3. Selección de la trampa de vapor a utilizar
La trampa de vapor de valde invertido ofrece una excelente relación entre costo y versatilidad.
Posee la particularidad de poder trabajar en tuberías verticales y, además, que el vapor tenga flujo
ascendente.
Debido a que la red tiene una pendiente, debido al condesado, al final de la red debe cambiar de
dirección con un ángulo de 90°, por lo que el vapor en este tramo se desplazará de forma vertical.
Por ello, esta trampa de vapor cubre esta necesidad por completo. Además, como las presiones y
temperaturas en la red están por debajo de las permisibles, la trampa de vapor no tendría dificultades
en este ámbito.
(a) Trampa de Vapor. (b) Límites de trabajo.
Fig. 6.3.1: Trampa de Vapor de Valde invertido.Fuente: Spirax Sarco.
Cálculo de aislación en red de vapor Universidad Austral de Chile
7Conclusión
En el caso estudiado, se abordó un tema donde la transferencia de calor hacia el ambiente era
perjudicial del punto de vista técnico-económico, ya que, al transportar vapor por grandes distancias,
utilizando una cañería sin aislación térmica, se cede una gran cantidad de energía al ambiente, produ-
ciéndose una disminución de la temperatura y un aumento de la cantidad de condensado. Sin embargo,
este efecto no siempre es negativo. Algunos sistemas de ingeniería, requieren de la transferencia de
calor hacia el ambiente. Un caso clave corresponde la placa disipadora de calor de un computador, en
este caso, mientras más calor sea cedido al ambiente, mejor será para el sistema. Esto da una visión
amplia de la importancia y las múltiples aplicaciones de la transferencia de calor.
Existen diferentes tipos de aislación térmica, cada uno para una correspondiente aplicación. El
aislamiento térmico utilizado, posee una alta disponibilidad en el mercado, cumple con los estándares
de calidad y seguridad entregados por la norma NCh 850 y corroborado por el CESMEC.
La teoría sobre los mecanismos de transferencia de calor, formo la base solida para el cálculo de la
aislación térmica, entregando cifras que comparaban el ahorro energético con respecto a una cañería
sin aislación.
Otro tema abordado, fue el cálculo de la cantidad de condensado presente en la red de vapor,
para la cual se seleccionó un dispositivo de purga de condensado que cumpliera con las condiciones de
trabajo, y posea una alta disponibilidad en el mercado.
El análisis técnico-económico demostró que al invertir en una aislación con un espesor dentro del
rango disponible en el mercado, se obtendrá una recuperación de la inversión en un periodo menor a un
año. El pago de la inversión se verá reflejado en el ahorro del combustible necesario para la producción
y transporte del vapor. El método VNA sirvió para decidir qué aislación representa la mejor inversión,
siendo esta, una aislación con 4 cm de espesor.
28
8Bibliografía
Hütte (1962). Manual del Ingeniero de Taller. Editorial Gustavo Gill, 5 edition.
Kreith, F. (2001). Principios de Transferencia de Calor. Thomson International, 6 edition.
S.A., V. I. (2004). Fabricación de Calderas de Vapor en Chile., 1 edition.
Sarco, S. (2000). Manual de Calderas, 1 edition.
29
Apéndices
30
ATablas
Fig. A.0.1: Tabla de precios de los combustibles durante el período deEnero de 2005 a Enero de 2008.Fuente: Ministerio de Energía del Gobierno de Chile.
31
§ APÉNDICE A. TABLAS � 32
Fig. A.0.2: Método de selección directa de diámetro de canerías.Fuente: Cortesía Spirax Sarco.
Cálculo de aislación en red de vapor Universidad Austral de Chile
§ APÉNDICE A. TABLAS � 33
Fig. A.0.3: Gráfico de Moody.
Fig. A.0.4: Cotización de aislante en empresa Volcán.
Cálculo de aislación en red de vapor Universidad Austral de Chile
BManuales
1IM-S03-08 ST Issue 1
Purgador de cubeta invertida para vapor Serie 200Instrucciones de Instalación y Mantenimiento
IM-S03-08ST Issue 1
Printed in the UK © Copyright 1997
DescripciónEl purgador de cubeta invertida para vaporSpirax Sarco Serie 200 está diseñado parainstalar entre bridas en una tubería vertical conel flujo ascendiente. Ofrecen un amplio rangode capacidades y aplicaciones hasta 17 bar r(246 psi r).
Condiciones límite (ISO 6552)Cond. de trabajo máximas superiores a PN16PMA - Presión máxima admisible
22 bar r (319 psi r)TMA - Temperatura máxima admisible
210°C (410°F)Prueba hidráulica
34 bar r (493 psi r)El límite de presión de la brida deberá sersuperior al límite de presión del mecanismointerno (∆PMX) seleccionado.Para más detalles ver TI-S03-03.
InstalaciónEl purgador debe instalarse con el cuerpo hacia
arriba de manera que la cubeta suba y baje
verticalmente. La entrada estará en la parte
inferior con el purgador instalado por debajo del
punto de drenaje para que el sello de agua pueda
ser mantenido alrededor del extremo abierto de
la cubeta.
Los purgadores de cubeta invertida no permiten
una eliminación rápida del aire. En aplicaciones
de procesos, en especial, esto puede producir
un calentamiento lento y anegación del espacio
vapor. Se requerirá un eliminador de aire externo
en paralelo para ventear eficientemente. Los
bypass deberán colocarse por encima del
purgador. Si está por debajo, y fuga o se deja
abierto, puede que desaparezca el sello de
agua haciendo que se desperdicie vapor. Si se
instala en el exterior, debe calorifugarse para
evitar el efecto de las heladas.
En algunos tamaños los bridas de entrada y
salida forman parte del cuerpo y tienen los
orificios ciegos roscados preparados para recibir
espárragos. Los orificios están roscados según
norma UNC para las bridas ASA y métrica para
las bridas DIN.
MantenimientoAntes de efectuar cualquier mantenimiento en
el purgador debe aislarse tanto de la entrada
como de la línea de retorno y permitir que la
presión se normalice a la atmosférica. Dejar
enfriar. Al volver a montar, asegurar que las
superficies de unión están limpias y que siempre
se usan juntas nuevas. Asegúrese de tener las
herramientas y consumibles necesarios antesde comenzar el mantenimiento. Solo usarrecambios originales Spirax Sarco.
Nota: Se muestra un purgador con conexionesroscadas. Los purgadores con bridas tienencuerpos y tapas que pueden variar del que semuestra en esta figura.
Fig. B.0.1: Manual de la Trampa de Vapor a usa.Fuente: Spirax Sarco.
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§ APÉNDICE B. MANUALES � 35
Cálculo de aislación en red de vapor Universidad Austral de Chile