Proyecto de tesis 2015 implementacion de calefaccion
1. UNIVERSIDAD NACIONAL DEL CALLAO
FACULTAD DE INGENIERÍA MECÁNICA – ENERGÍA
ESCUELA PROFESIONAL DE INGENIERÍA MECÁNICA
PROYECTO DE TESIS
“IMPLEMENTACIÓN DE UN SISTEMA DE
CALEFACCIÓN PARA UN EDIFICIO DE
VIVIENDAS EN LIMA”
PARA OPTAR EL TÍTULO PROFESIONAL DE INGENIERO MECÁNICO
PAULO CÉSAR FLORES GUILLEN
ENRIQUE JUSMNA LLATAS DELGADO
DAVID MOISES SAAVEDRA ESPINOZA
Callao, junio, 2015
PERÚ
4. DEDICATORIA
El presente trabajo va dedicado a
nuestros padres por su incondicional
apoyo y a los docentes en general que
tuvieron la gentileza de orientarnos en
el desarrollo del trabajo.
5. INDICE
INTRODUCCIÓN...............................................................................................................3
I. PLANTEAMIENTO DEL PROBLEMA......................................................................4
1.1. Determinación del problema ...........................................................................4
1.2. Formulación del problema...............................................................................4
1.2.1. Problema General......................................................................................4
1.2.2. Problemas específicos..............................................................................4
1.3. Objetivos de la investigación..........................................................................4
1.3.1. Objetivo general.........................................................................................4
1.3.2. Objetivos específicos................................................................................4
1.4. Justificación ......................................................................................................5
II. MARCO TEÓRICO.....................................................................................................6
2.1. Antecedentes.....................................................................................................6
2.2. Referencial teórico............................................................................................8
2.2.1. TRANSFERENCIADE CALOR..................................................................8
2.2.2. CONDUCCIÓN UNIDIMENSIONAL EN SUPERFICIES ...........................9
2.2.3. LACONVECCIÓN.......................................................................................9
2.2.4. Calor latente.............................................................................................11
2.2.5. RADIADORES Y TIPOS DE CONEXIÓN.................................................12
2.2.6. CALDERAPIROTUBULAR......................................................................13
2.2.7. COMPONENTES DE UNACALDERAPIROTUBULAR.........................14
2.2.8. CÓDIGO ASME CALDERAS Y RECIPIENTES APRESIÓN .................15
2.3. Definición de términos básicos ....................................................................15
III. DISEÑO METODOLÓGICO.................................................................................18
3.1. Tipo y diseño de la investigación.................................................................18
3.2. Unidad de análisis ..........................................................................................18
3.3. Escenario o sede del estudio........................................................................18
3.4. Participantes o sujetos del estudio..............................................................19
3.5. Técnicas e instrumentos para la recolección de la información ..............19
3.6. Plan de trabajo de campo ..............................................................................22
IV. CRONOGRAMADE ACTIVIDADES...................................................................50
V. CONCLUSIONES Y RECOMENDACIONES..........................................................50
VI. REFERENCIAS BIBLIOGRÁFICAS ..................................................................51
7. 3
INTRODUCCIÓN
El presente trabajo profundiza en el campo del cálculo de cargas térmica y en
el diseño se sistemas de calefacción en edificios de viviendas en la ciudad de
Lima, estos se convierten en una prioridad, debido a las condiciones
climatológicas que se tiene en esta ciudad, llegando a una a temperatura que
se rige con respecto a sus estaciones en el caso de invierno puede tener una
mínima de 10 o 12 °C ya que posee un clima tipo semiárido. Para ello se
trabajara con un diseño no experimental ya que en esencia el trabajo es de
carácter descriptivo y correlacional, obteniéndose los resultados deseados
mediante magnitudes numéricas que posteriormente serán usadas para una
contrastación.
En este proyecto se desea implementar el uso de una caldera piro tubular para
producir el suficiente vapor que haga posible calentar el ambiente de un edificio
de viviendas de 5 pisos que cubra un área total de, ubicado en el centro de
Lima, teniendo como temperatura ideal a alcanzar 23°C (un temperatura
intermedia que no es ni tan fría ni tan caliente), una temperatura adecuada.
Se debe hacer un análisis riguroso para determinar la mejor opción al escoger
el diseño de la caldera, empleando los conocimientos obtenidos tales como:
Cálculos mecánicos de equipos a presión, Cálculos termodinámicos para la
caldera, combustión, transferencia de calor, cálculos de circulación de fluidos y
cálculos de rendimiento.
La caldera a utilizar será accionada por medio de gas natural como
combustible, con el fin de que sea lo menos contaminante, y menos costo a al
ponerla en funcionamiento, ya que deseamos que sea de uso sostenible.
También es necesario escoger el régimen de la caldera confiadamente para
ajustarse mejor a su aplicación, con sistemas de control capaces de
proporcionar el grado requerido de eficacia, integridad y seguridad.
8. 4
I. PLANTEAMIENTO DEL PROBLEMA
1.1. Determinación delproblema
En la actualidad se vive un aumento en el crecimiento demográfico,
y esto se siente en ciudades como Lima. Estas ciudades
experimentan múltiples problemas, uno de estos es el incremento
importante del número de residencias y edificios los cuales a su
vez ocasionan aumentos del consumo energético debido a factores
como la poca cultura del ahorro del pueblo y depredación de áreas
verdes, las cuales dan paso a edificios residenciales que no
coexisten en armonía con un ambiente sano sino con una Lima
desordenada y cada vez más contaminada.
En épocas de invierno son más notoria estas consecuencias. Por
ejemplo el uso de calefacción, la cual depende directamente del
tamaño de las viviendas ya que a mayor tamaño mayor
necesidades, esto trae consigo elevados consumos energéticos
abastecidos a expensas de emisión de contaminantes. Es en este
contexto que se busca la implementación de sistemas eficientes y
poco contaminantes como soluciones alternativas.
1.2. Formulacióndelproblema
1.2.1. Problema General
¿Existe la factibilidad de implementar un sistema de calefacción por
vapor en edificios de viviendas en Lima?
1.2.2. Problemas específicos
¿Energéticamente es más rentable que los sistemas de
calefacción a gas o eléctricos?
¿Es posible el uso de energía renovable para aumentar el
rendimiento de este sistema?
1.3. Objetivos de la investigación
1.3.1. Objetivo general
Implementar un sistema de calefacción por vapor generado por una
caldera para un edificio de viviendas en Lima
1.3.2. Objetivos específicos
9. 5
Realizar un dimensionamiento de los equipos y el sistema de
distribución del vapor para los radiadores.
Implementar un método de utilización de energía solar en azoteas
para pre-calentar el fluido.
Comparar los costos energéticos de este tipo de calefacción con
respecto a otros.
1.4. Justificación
Estudios demuestran que el tipo de energía consumida por este
sector de viviendas es en su mayoría contaminante.
Resumen por categoría de uso final y formas de energía disponibles
en el sector residencial.
TABLA N°01
Fuente “Revista de la facultad de ingeniería industrial – UNMSM
(2009)”
Criterios de gestión sostenible de los recursos son factores
fundamentales en la estrategia de reducción del consumo de
energía, pero esto no se da debido a que en la construcción de estos
edificios no se cuentan con sistemas integrados de calefacción para
abastecer a este conjunto de apartamentos sino que cada
apartamento por su cuenta implementa su propio sistema, lo que
viéndose en su totalidad es un malgasto de energía, la cual no puede
ser controlada ni regulada.
Una forma que se tiene para reducir los consumos en calefacción, es
aislar adecuadamente los edificios, pero en Perú no hay una
normativa de aislamiento térmico (a comparación de otros países)
cuando se construyen estos edificios, razón por lo que se tienen
muchas deficiencias en este sentido.
Es en este contexto que siempre se está en busca de alternativas de
energía limpia, auto sostenible y que conviva en armonía con la
población aportándole a está alternativas rentables y llamativas,
como es el caso de esta propuesta.
10. 6
II. MARCO TEÓRICO
2.1. Antecedentes
En este capítulo se informará de los proyectos anteriores a éste que han
facilitado la investigación, proporcionando elementos y conceptos para la
elaboración de este proyecto de tesis, mostrando más clara la
problemática que se desea quiere transmitir.
a) RODRÍGUEZ CHICA, Danilo Fabricio y RUBIO SARMIENTO, Oswaldo
Alberto. Diseño del sistema de distribución de vapor y selección del
caldero para el Hospital San Juan de Dios. Tesis para obtener el título
de Ingeniero Mecánico. México. Universidad Politécnica Salesiana (sede
cuenca). Facultad de ingeniería mecánica. Setiembre – 2014
Tema Central:
Obtener un sistema eficiente, el vapor de las calderas piro tubulares,
para la esterilización de instrumentos médicos, la lavandería, cocina,
lavado de cubiertos
Propósito:
Satisfacer las necesidades del hospital San Juan de Dios, que
constara de una torre de consultorios de 140 médicos.
Metodología Aplicada:
Fase de información previa: permite analizar investigaciones
pasadas para empezar el nuevo proyecto.
Fase de descripción del hospital: para saber qué tipo de caldera
se desea implementar se debe conocer el lugar donde será
instalada.
Fase de diseño: se propone el tipo de caldera señalando sus
partes más importantes tuberías, para el ensamblando, para
poder aprovecharlo como se desea.
Fase de análisis de alternativas: es aquí donde se propone en
que se utilizará, para que servirá el proyecto que ser quiere llevar
acabo.
Fase de costos: Se calcularon los costos del proyecto, incluidos
materiales, instalación, puesta en marcha y operación de las
instalaciones.
Resultados Obtenidos:
El desarrollo matemático de esta tesis no solo va servir para este
hospital, si bien el diseño es exclusivo los principios y
11. 7
dimensionamiento de las tuberías y sus respectivos aislantes
podrían ser aplicados en otras edificaciones que requieran vapor.
Se logró realizar el diseño de una red de vapor para el hospital
“San Juan de Dios”, bajo las normas establecidas para una
entidad sanitaria.
El valor calculado para costo total para el proyecto asciende a
$ 214295.71.
Recomendaciones Sugeridas:
Se puede desarrollar un mejoramiento en proyecto de la
instalación.
Se puede llegar a bajar más los costos desarrollando un sistema
automatizado haciendo uso de softwares y equipos para este
medio en el mercado.
b) IGUARÁN DUARTE, Omar Arturo y MARTÍNEZ BARRIOS, Diana
Milena. Diseño y construcción de una mini caldera piro tubular para
el laboratorio de transferencia de calor. Trabajo de grado para
obtener el título de Ingeniero Mecánico. Colombia. Universidad Industrial
de Santander Facultad de Ingeniería Físico-mecánica escuela de
Ingeniería Mecánica. 2011
Tema Central:
El diseño y la realización de una pequeña caldera piro tubular, para
un laboratorio de transferencia de calor.
Propósito:
Que con la nueva implementación de la mini-caldera en el
laboratorio de transferencia de calor, los estudiantes no tengan que
esperar tanto tiempo para su accionamiento y además puedan
observarlo ampliamente y un mejor estudio.
Metodología Aplicada:
Sustentación teórica usada como marco de referencia para el
desarrollo y obtención de los resultados.
Diseño Térmico, exposición de necesidades y proceso de cálculo.
Dimensionamiento final de la caldera, referente a la parte
estructural.
Diseño mecánico, tubería y accesorios.
Selección de sistema de medición y controles básicos.
Selección de materiales, construcción y parámetros de
construcción.
Resultados Obtenidos:
Resultados de la eficiencia térmica y desempeño de la mini
caldera dentro de lo aceptable
12. 8
Procedimiento de construcción según norma ASME, siguiéndose
lineamientos comerciales para el diseño, construcción y
fabricación.
Recomendaciones Sugeridas:
Mejorar la enseñanza del aprendizaje y aplicación de los
conceptos de quemadores ya que es un excelente complemento
a la formación de los ingenieros de dicha casa de estudio.
Tener en cuenta cambiar el sensor de detección de llama de tipo
térmico por otro de tipo lumínico para aumentar la seguridad de
los operarios.
2.2. Referencialteórico
2.2.1.TRANSFERENCIA DE CALOR
Transferencia de calor (o calor) es la energía en tránsito debido a una
diferencia de temperaturas.
Teniéndose las siguientes formas de transferencia:
Conducción: Transferencia de calor y/o un gradiente de temperatura
en un medio estacionario que puede ser un sólido o un líquido.
Convección: Transferencia de calor entre una superficie y un fluido
en movimiento, estando a diferentes temperaturas.
Radiación térmica: siendo el caso de superficies con temperatura
finita, las cuales emiten energía en forma de ondas
electromagnéticas.
FIGURA N°01
Fuente: “YUNUS A. Cengel. Transferencia de Calor”
13. 9
2.2.2. CONDUCCIÓN UNIDIMENSIONAL EN SUPERFICIES
Para la conducción unidimensional en una pared plana, la temperatura es
una función sólo de una coordenada lineal, el calor se transfiere
exclusivamente en esta dirección, en la figura inferior una pared plana
separa dos fluidos con temperaturas diferentes. La transferencia de calor
ocurre por convección del fluido caliente a T1 hacia una superficie de la
pared a Ts1, por conducción a través de la pared y por convección a la otra
superficie de la pared a Ts2, al fluido frio a T2.
Lo descrito líneas arriba se aprecia en el circuito térmico Equivalente el cual
se aprecia en la figura:
FIGURA N°02
Fuente: “YUNUS A. Cengel. Transferencia de Calor”
2.2.3. LA CONVECCIÓN
Dos mecanismos:
Movimiento molecular aleatorio.(Difusión)
Movimiento global o macroscópico.
14. 10
FIGURA N°03
Fuente: “YUNUS A. Cengel. Transferencia de Calor”
Convección forzada
Cuando el flujo es causado por medios externos. Ejemplo: un ventilador.
FIGURA N°04
Fuente: “Jack Philip Holman. Transferencia de calor”
15. 11
Nota: La convección libre o natural, el flujo es inducido por fuerzas de
empuje originadas por diferencia de densidades causadas por
variaciones de temperatura en el fluido.
Por lo general, la energía que se transfiere es la energía sensible o
energía térmica interna del fluido.
Ecuación: q” = h*(ts - t)
h = coeficiente de transformación de calor por convección
h= 2
.w k
m
unidades según el sistema Internacional.
q” = (w/m2) : Flujo de Calor ( Watt / metro cuadrado)
ts = temperatura de superficie del Elemento que sede Calor.
t = temperatura de superficie del Fluido Receptor del Calor.
2.2.4. Calor latente
El calor latente es la energía requerida por una cantidad de sustancia para
cambiar de fase, de sólido a líquido (calor de fusión) o de líquido a gaseoso
(calor de vaporización). Se debe tener en cuenta que esta energía en forma de
calor se invierte para el cambio de fase y no para un aumento de la
temperatura.
FIGURA N°05
16. 12
Fuente: “Jack Philip Holman. Transferencia de calor”
2.2.5. RADIADORES Y TIPOS DE CONEXIÓN
Dispositivo que permite el cambio entre 2 superficies. Su
funcionamiento consiste en ampliar la superficie de intercambio por
medio de aletas, normalmente, de modo que el calor encuentre
suficiente superficie de intercambio. Efectivamente, el intercambio de
calor depende de la diferencia de temperaturas entre los medios que
intercambian calor, en este caso el radiador y el aire ambiente, y de
la superficie de intercambio. Además, el aire que se ha calentado en
la superficie, tiende, por efecto película, a permanecer en las
proximidades, reduciendo la diferencia de temperaturas, por lo que a
menudo se recambia por aire fresco por medio de un ventilador
(convección forzada).
Tipos de conexión:
- Conexión Bitubo: Radiadores en paralelo con la fuente de calor,
todos posees las mismas temperaturas de entrada.
FIGURA N°06
17. 13
Fuente: “Imventa, sitio web. Emisor Bitubo”
- Conexión Monotubo: Los radiadores forman un circuito en serie
teniendo una temperatura de entrada que va disminuyendo a
medida que pasa de un radiador a otro.
FIGURA N°07
Fuente: “AquaBazar, documento web. Conexiones en
radiadores”
2.2.6. CALDERA PIROTUBULAR
18. 14
La caldera, en la industria, es una máquina o dispositivo de ingeniería
diseñado para generar vapor. Este vapor se genera a través de
una transferencia de calor a presión constante, en la cual el fluido,
originalmente en estado líquido, se calienta y cambia su fase a vapor
saturado. Según la ITC-MIE-AP01, caldera es todo aparato de presión
donde el calor procedente de cualquier fuente de energía se transforma en
energía utilizable, a través de un medio de transporte en fase líquida o
vapor.
FIGURA N°08
Fuente: “Bosch Industries”
2.2.7. COMPONENTES DE UNA CALDERA PIROTUBULAR
- Agua de alimentación: es el agua de entrada que alimenta el
sistema, generalmente agua de pozo o agua de red con algún
tratamiento químico como la desmineralización.
- Condensador: sistema que permite condensar el vapor.
- Tanque de acumulación: es el estanque de acumulación y
distribución de vapor.
- Des-aireador: es el sistema que expulsa los gases a la atmósfera.
- Purga de fondo: evacuación de lodos y concentrado del fondo de
la caldera.
- Purga de superficie: evacuación de sólidos disueltos desde el
nivel de agua de la caldera.
- Fogón u hogar: alma de combustión del sistema, para buscar una
mejora continua de los recipientes y circuitos establecidos por la
caldera.
- Combustible: material que produce energía calórica al quemarse.
19. 15
- Quemador: Máquina que genera calor, el cual es transmitido por
medio del aire al fluido.
FIGURA N°09
Fuente: “PIMMSA, empresa de proyectos. Catalogo”
2.2.8. CÓDIGO ASME CALDERAS Y RECIPIENTES A PRESIÓN
La Sección I de la Norma de Calderas y Recipientes a Presión ASME
(BPVC-I) cubre requisitos para todo método de construcción de
calderas de potencia (alta presión), calderas eléctricas y miniatura al
igual que calderas utilizadas en ciclos de reciclaje de vapor y
recipientes a presión utilizados en servicio estacionario. Esta norma
también cubre requisitos para calderas empleadas en locomotoras y
servicios portátiles. Requisitos para el uso de las Certificaciones
ASME V,A, M, PP, S y E también se detallan en esta norma. Las
reglas de esta norma aplican a calderas en las cuales vapor de agua
u otro tipo de vapor se genera a presión mayor de 15 psig y también
a calderas de agua en las cuales la presión excede 160 psig y/o la
temperatura del agua excede 250 grados F. Esta sección también
contiene requisitos para otros recipientes o aparatos sometidos a
presión conectados directamente a la caldera tal como, súper-
calentadores, o economizadores.
2.3. Definición de términos básicos
𝑇 𝐻2𝑂 𝐼: Temperatura del agua inicial (kelvin)
20. 16
𝑃 𝑎𝑡𝑚: Presión atmosférica (atm)
𝑃𝑡𝑟𝑎𝑏: Presión de trabajo (PSI)
𝑑: Diámetro interior de los tubos (metros)
𝐷: Diámetro exterior de los tubos (metros)
𝐿: Longitud de los tubos (metros)
ℎ1: Entalpia a la entrada
ℎ3: Entalpia a la salida
𝑄 𝐻2𝑂 : Calor ganado por el agua (kJ/Kg)
𝑒𝑓: Eficiencia de la caldera
𝑃𝑐: Poder Calorífico inferior del gas natural (kJ/Kg)
𝑚 𝑐𝑜𝑚𝑏: Flujo de combustible (Kg/h)
𝑃 𝐶𝑂2: Presión parcial del CO2
𝑃 𝐻2𝑂: Presión Parcial del H2O
𝑚 𝑎: Flujo de aire (Kg/h)
𝑞𝑖: Poder calorífico inferior
𝑇𝑔1: Temperatura de entrada de los gases
A: Área de transferencia de calor
𝑛: Número de tubos
𝑣 𝑎𝑔𝑢𝑎 : Viscosidad cinemática del agua
𝑘 𝑎𝑔𝑢𝑎 : Conductividad térmica del agua
𝑀𝑔𝑡: Masa de gas por el tubo
𝑇𝑚: Temperatura media de los gases
𝐶𝑝 𝐶𝑂2: Cp. del CO2
𝑘 𝐶𝑂2: Conductividad térmica del CO2
𝑚𝑖𝑢𝑚: Viscosidad promedio
𝑇𝑠𝑢𝑝: Temperatura de superficie
𝑅𝑒: Número adimensional de Reynold
ℎ𝑖𝑛𝑡: Coeficiente de conveccióninterno de los gases
ℎ 𝑒𝑥𝑡: Coeficiente externo de los gases
𝐸𝑔: Emisión total de los gases
21. 17
𝐴 𝑔: Asertividad total de los gases
𝑄𝑟𝑎𝑑: Calor de radiación
𝑄 𝑇:Sumatoria calor ganado por el agua
22. 18
III. DISEÑO METODOLÓGICO
3.1. Tipo y diseño de la investigación
Según el grado de estructuración es de tipo Cuantitativo ya que
mediante magnitudes numéricas obtenemos resultados a la
formulación de nuestros objetivos.
De acuerdo a la técnica de contrastación es de tipo analítica ya que
se refiere a la proposición de hipótesis que el investigador trata de
probar o negar.
La investigación tendrá un carácter de diseño no experimental ya que
es de carácter descriptivo y correlacional.
Variable dependiente:
Carga Térmica de calor
Variables Independientes:
Cantidad de ambientes a calentar.
Dimensiones de la sala
Temperatura del exterior y la deseada en los ambientes
3.2. Unidad de análisis
Para diseñar un sistema de calefacción de un ambiente es necesario
realizar el cálculo de la carga térmica del mismo, es decir la potencia
térmica que precisa para mantener las condiciones de confort. Para
realizar dicho cálculo es preciso especificar que la carga térmica se
realizara para un EDIFICIO DE VIVIENDAS, tomando como base las
medidas estándar de habitaciones y un número promedio de pisos se
puede proceder con el cálculo.
3.3. Escenarioo sede del estudio
Definido el tipo de espacio y obteniendo así las dimensiones de
trabajo se puede proceder a realizar el cálculo de la carga térmica
necesaria, pero antes de esto definimos lo parámetros previos como
la temperatura exterior.
23. 19
Esta temperatura exterior depende de la región y el lugar donde nos
encontremos, teniendo temperaturas promedios para estos según
estaciones (datos proporcionados por el SENHAMI).
La implementación del sistema de calefacción se realizara para un
edificio de viviendas con sede en la ciudad de Lima.
3.4. Participanteso sujetos del estudio
Para dar un parámetro exacto de dimensiones, número de viviendas
y pisos, se elegirá un edificio promedio (5 pisos) ubicado en la
zona céntrica de Lima.
3.5. Técnicase instrumentospara la recolección de la
información
Los sistemas de medición básicos utilizados en la implementación de
una caldera para la generación de vapor para el sistema de
calefacción se muestran en la figura inferior:
GRÁFICA N°01
Diagrama de los sistemas de medición básica requeridos en el
diseño de la caldera
24. 20
3.5.1. Control de presión: Los elementos utilizados en el control y
medición requeridos en la mini caldera en cuanto a presión son:
Válvula de seguridad: es una válvula de tipo palanca que
esta tarada a 30 psi, su funcionamiento está orientado a
proteger la caldera de sobre presiones (por encima de 30 psi),
al superar la presión de la caldera sea inferior a la presión de
taraje.
Manómetro: elemento utilizado para supervisar la presión de
trabajo de la caldera en un rango de 0 a 60 psi.
Presostato Danfoss KP 1A: elemento utilizado para cesar la
presión dentro de la caldera, en caso de que esta falle, la
válvula se seguridad es la encargada de controlar las
sobrepresiones en la caldera.
3.5.2. Control de Nivel: VISOR DE NIVEL DE BRONCE ½”, tubo de vidrio
de 25 cm de longitud. Es el elemento que permite ver el nivel de
agua que hay dentro de la caldera y poder controlar el mínimo y
máximo nivel que se pueda presentar durante la operación.
3.5.3. Control de Llama
Visor de llama: permite observar el estado de la llama que se
está produciendo durante el proceso de combustión.
Caja de control: este elemento está encargado de tres tareas
importantes, estas son:
Producir la chispa
Detectar la llama
Permitir el flujo de gas
GRÁFICA N°02
DIAGRAMA DE BLOQUES DE LA CAJA DE CONTROL
26. 22
FIGURA N°10
DIAGRAMA DE UBICACIÓN DE LOS INSTRUMENTOS DE MEDICIÓN
Fuente: Termodinámica Ltda.
3.6. Plan de trabajo de campo
Para efectuar la climatización de un local es necesario realizar el
cálculo de la carga térmica del mismo, es decir la potencia térmica
que precisa para mantener las condiciones de confort. Una vez
hallada la carga térmica procederemos a seleccionar el equipo
climatizador adecuado para el local que en nuestro caso sería la sala
de cine. Para realizar dicho cálculo es preciso obtener al máximo de
los siguientes datos:
Diseño Térmohidraulico:
1.1. Presionesde Diseño:
Presión Promedio de trabajo:
Normativas de institutos como el Mexicano recomiendan que en base a su
utilización se deben utilizar determinadas presiones de trabajo, en caso de
nuestro caso se buscara la presión de trabajo para calefacción teniéndose:
(INSTITUTO MEXICANO DE SEGURIDAD SOCIAL, 2004)
27. 23
Presión de Diseño:
Por cuestiones de seguridad estimaremos un 50% más de la presión de trabajo
𝑃 𝑑 = 𝑃 𝑇 ∗ 1.5 = 1.05
𝑘𝑔
𝑐𝑚2
∗ 1.5 ≈ 1.5
𝑘𝑔
𝑐𝑚2
1.2. Datos iniciales de entrada promedio de agua a la caldera:
Temperatura de entrada del agua = 15 °C
Temperatura de salida del agua = 70 °C
1.3. Análisis de consumo de vapor:
Cálculo de la carga térmica:
Para el análisis de la carga térmica analizaremos las necesidades térmicas para un
departamento, estos cálculos serán generalizados luego para los otros departamentos
y así se hallara la carga térmica total para todo el edificio.
28. 24
- Variación de temperatura
Temperatura exterior promedio de invierno en Lima de 10°C
Ya que se debe tener presente el consumo energético debes tener
presente que cuanto mayor sea la temperatura interior que se alcance
mayor será también el consumo de calefacción. Por este motivo, la
reglamentación fija una Temperatura interiormáxima, que debe estar
comprendida entre los 21° y los 23°C.
→ ∆𝑇 = +23°𝐶 − (+10°𝐶) = 13 °𝐶
- Radiador a implementar
Escogemos para este departamento un radiador tipo:
Radiador de aluminio Tropical 80, distribuido por “PEISA” de
163(Kcal/hr)/elemento
29. 25
- Necesidades térmicas para 1 departamento
Se tiene un departamento promedio de 60 m2 con los siguientes
ambientes: 1 cocina, 2 habitaciones, 2 baños y 1 sala de recepción.
Valores prácticos para potencia en ambientes:
Zona cálida 100 Kcal/m2
Zona fría 125 Kcal/m2
Zona muy fría 150 Kcal/m2
Tabla de potencias:
Local 𝒎 𝟐 𝑷𝒐𝒕𝒆𝒏𝒄𝒊𝒂
𝒎 𝟐⁄ Potencia
(Kcal/hr)
N°
Elementos
Cocina 8.37 100 837 6
Habitación
1
12.28 110 1350.8 9
Habitación
2
12.42 110 1366.2 9
Baño 1 2.67 125 333.75 2
Baño 2 3.81 125 475 3
30. 26
Sala 16.5 125 2062.5 13
Total 6425.25 42
Donde:
N° Elementos = (Potencia instalada)/(Potencia del radiador)
Potencia instalada: 𝑃𝑖𝑛𝑠𝑡 = 6425.25 𝐾𝑐𝑎𝑙/ℎ𝑟
Caudal necesario:
𝑃 = 𝑄 ∗ 𝐶 𝑒 ∗ ∆𝑇 → 𝑄 =
𝑃
𝐶 𝑒 ∗ ∆𝑇
=
6425.25
𝐾𝑐𝑎𝑙
ℎ𝑟
1
𝑐𝑎𝑙
𝑙𝑡 ∗ °𝐶
∗ 13°𝐶
= 494.25
𝑙𝑡
ℎ𝑟
𝑄 = 494.25
𝑙𝑡
ℎ𝑟
Datos del sistema de distribución
- Circuito de distribución para los radiadores:
Para conexión entre radiadores se usara una conexión Bitubo. Este tipo
de instalación se caracteriza por que todos los radiadores se encuentran
en paralelo con la caldera, lo cual significa que la temperatura de salida
en la caldera es la misma de llegada en todos los radiadores. En la
figura inferior se debe notar que hay 2 líneas en los radiadores, una de
impulsión (llegada) y otra de retorno (recirculación del agua enfriada a la
caldera).
- Diámetro de tubería para conexión de los ambientes
31. 27
Usando la tabla práctica inferior se procederá a dimensionar la tubería
de conexión
Potencia instalada (Kcal/hr) Diámetro nominal (mm)
< 3 000 15
< 5 000 18
< 10 000 22
> 10 000 28
Apoyándonos además del siguiente diagrama se definirán tramos para
los ambientes:
Según los siguientes tramos para 1 departamento con una necesidad de 𝑃𝑖𝑛𝑠𝑡 =
6425.25 𝐾𝑐𝑎𝑙/ℎ𝑟 se tiene:
Tramo Potencia Diámetro
A-B 333.75 15
B-C 2396.25 15
C-D 3233.25 18
D-E 4584.05 18
E-F 5950.25 22
32. 28
F-G 6425.25 22
Nota: La conexión entre los radiadores será con tubería de 15 mm.
- Circuito de distribución para el edificio
Como se nota en la figura siguiente la caldera estará ubicada en el
sótano (sala de calderas), y es desde ahí que se repartirá para cada piso
luego departamento y después ambientes en ese orden
correspondientemente.
33. 29
Con el uso de paneles en el techo se tendrá el siguiente esquema:
Necesidades térmicas totales
Considerando el circuito de distribución para el edificiose obtendrá una
necesidad total según:
Total de departamentos:
(2 depart. / Piso) * (5 Pisos) = 10 departamentos
Caudal Total:
𝑄 𝑇 = 494.25
𝑙𝑡
ℎ𝑟
∗ 10 𝑑𝑒𝑝𝑎𝑟𝑡𝑎𝑚𝑒𝑛𝑡𝑜𝑠 = 4925.5 𝑙𝑡/ℎ𝑟
1.4. CUADRO DE RESUMEN
Presión de diseño
1.5
𝑘𝑔
𝑐𝑚2
Temperatura de ingreso a la caldera 15 °C
Temperatura de salida de la caldera 70 °C
Caudal proporcionado por la caldera 4925.5 𝑙𝑡/ℎ𝑟
Uso de la caldera Calefacción
Radiador en las habitaciones Radiador de aluminio Tropical 80,
distribuido por “PEISA”
Conexión entre radiadores Instalación tipo Bitubo, con tubería de
15 mm de diámetro
Conexión entre ambientes Usar tubería de diámetros 15, 18 y 22
mm (Ver figura)
Aislante Fibra de vidrio. Coeficiente de
conductividad térmica: 0.032 W/m°K
a 0.044 W/m°K
Combustible en la caldera Gas natural
Tipo de quemador Quemador de pre mezcla
34. 30
CÁLCULOS DE LA CALDERA
De los datos antes hallados, no basaremos para calcular las propiedades del
agua a las condiciones mencionadas, de tal manera en que podemos examinar
el sistema, consiguiendo así la potencia que nos ofrece esta caldera, el
consumo de combustible, los diámetros que deben tener las tuberías para
contener el flujo, etc. Todas las propiedades del sistema en general. Partiremos
de lo siguiente:
Presión de trabajo: 1.05
𝐾𝑔
𝑐𝑚2
Temperatura de entrada: 10º C
Temperatura de salida: 70ºC
Con los datos de presión de trabajo y las temperaturas, tanto de entrada como
salida podemos calcular todas las propiedades del vapor o agua, para poder
asi calcular cuanta es la potencia que ha empleado la caldera por medio del
combustible para calentar el agua
Entalpia de entrada (SUBENFRIADO):
A presión de 1.05kg/cm2 y 10º C tenemos una entalpia de 42.1154 kJ/kg
Entalpia de salida (SOBRECALENTADO):
A presión de 1.05kg/cm2 y 70º C tenemos una entalpia de 293.07 kJ/kg
Hallamos la potencia de la caldera para una de 3 pasos:
𝑯𝑷 𝒄𝒂𝒍𝒅𝒆𝒓𝒂 =
𝑾 𝒔(𝒉 𝒔 − 𝒉 𝒆)
𝟏𝟓. 𝟒𝟒𝒙𝒉 𝒇𝒈 𝟎º𝒄
Ws=4925.5
𝐾𝑔
ℎ
ℎ 𝑓𝑔 0º𝑐=597.27
𝐾𝑐𝑎𝑙
𝑘𝑔
=2498.977
𝐾𝑗
𝑘𝑔
de tablas
Reemplazando
𝐻𝑃𝑐𝑎𝑙𝑑𝑒𝑟𝑎 = 32.03582𝐻𝑃
35. 31
Por norma de fabricación de calderas para bajas potencias debemos usar la
siguiente característica de tubos
Dimensiones y Presiones de trabajo de tubería de cedula (Pipe)
ASTM A312
Diámetroext: 60.3mm
Diámetroint: 52.51mm
Espesor: 3.91mm
Hallamos la longitud de los tubos:
L=(0.048𝑥𝐻𝑃𝑏 + 0.3)
L=1.8377m
Hallamos el área de cada tubo:
36. 32
A=𝜋𝑥𝐷𝑥𝐿
A=0.3481𝑚2
Hallamos el área de calefacción
A = 0.465𝑥𝐻𝑃 − 0.004
A = 14.8926𝑚2
Numero de tubos
N = (𝐴𝑡𝑢𝑏𝑜𝑠)/(𝐴𝑒𝑥𝑡𝑒𝑟𝑛𝑎 𝑑𝑒 𝑡𝑢𝑏𝑜𝑠)
N = (14.8926)/(3.1416𝑥0.06𝑥1.8377)
N = 43 tubos
Hallamos la distribución de los tubos
Debemos obtener una distribución de un triángulo equilátero
𝑑0 = 60.32mm
Calculamos 𝑃𝑡:
𝑃𝑡 = 1.25𝑥𝑑𝑜 = 75.4mm
Calculamos C’ = 0.25xdo
C’ = 15.08mm
Diámetro de espejo
Los fabricantes de calderas para el tipo de requerimiento con este rango de
potencia, recomienda que utilicemos 𝐷 𝑒𝑠𝑝𝑒𝑗𝑜=1.06m
Diámetro del hogar
37. 33
En esta área tenemos la acumulación de vapor, estas características se rigen
por 42.5%
𝐷ℎ𝑜𝑔𝑎𝑟 = 42.5%x1.06m
𝐷ℎ𝑜𝑔𝑎𝑟 = 0.477m
Espesor del hogar de 10mm según los fabricantes
Hallamos la altura del espejo
Altura = 20%x𝐷 𝑒𝑠𝑝𝑒𝑗𝑜
Altura = 0.212m
Cotas de área de acumulación de vapor
Agua de alimentación de la caldera
Este factor es muy importante ya que el agua debe ser tratada correctamente
porque la duración de la caldera así como la calidad de vapor generado
depende directamente de esta.
El agua de alimentación de una caldera constituye la materia prima para la
producción de vapor, por lo tanto, este elemento debe ser suministrado
permanentemente a la caldera a fin de mantener una generación constante de
vapor.
Si se consiguiera alimentar una caldera con agua caliente se utilizaría menos
combustible pues seríamás fácil alcanzar una temperatura de ebullición del
agua a la presión de trabajo a la que estuviese operando la caldera
El agua de alimentación en todo sistema de generación de vapor está
constituida por el condensado o por el agua tratada o bien por una mezcla de
ambos.
Tratamiento de Agua para Calderas:
38. 34
Parámetros Tratamiento de Agua
Los principales parámetros involucrados en el tratamiento del agua de una
caldera, son los siguientes:
1. pH: El pH representa las características ácidas o alcalinas del agua, por
lo que su control es esencial para prevenir problemas de corrosión
2. Dureza. La dureza del agua cuantifica principalmente la cantidad de
iones decalcio y magnesio presentes en el agua, los que favorecen la
formación dedepósitos e incrustaciones difíciles de remover sobre las
superficies detransferencia de calor de una caldera.
3. Oxígeno. El oxígeno presente en el agua favorece la corrosión de
loscomponentes metálicos de una caldera. La presión y temperatura
aumentan lavelocidad con que se produce la corrosión.
4. Dióxido de carbono. El dióxido de carbono, al igual que el oxígeno,
favorecen laCorrosión. Este tipo de corrosión se manifiesta en forma de
ranuras
Calculo de la capacidad de agua de alimentación
La capacidad de evaporación de una caldera esta dad por la siguiente relación:
Cap. De evap.=CC*0.069 (GPM)
Dónde: CC=potencia de la caldera en caballos de caldera
Reemplazando la potencia requerida de la caldera para:
Pot = 6425.25
𝐾𝑐𝑎𝑙
ℎ
= 7.47KW = 10 HP
Este cálculo es para un departamento pero como son 10 departamentos se
requiere una potencia total de 100 HP pero este valor es la potencia instalada
por lo que se considera que nuestra caldera debe de generar un 20% más de
calor por lo cual se tendría una potencia de caldero de 120HP
Ya que1𝐶𝐶 = 13.1548𝐻𝑃→120HP*
1𝐶𝐶
13.1548𝐻𝑃
= 9.2 CC
Entonces usaremos un caldero de capacidad de 10 CC
Cap. De evap.=10CC*0.069 (GPM)=0.69 GPM
Caballos de caldera
39. 35
La cantidad de calor requerida para producir 15.65 kilogramos por hora de
vapor saturado a una temperatura de 100 ºC, utilizando agua a la misma
temperatura, siendo equivalente a 35.32 (MJ/hr) =13.1548 HPsegún A.S.M.Ea
continuación algunas equivalencias
La cantidad de agua que se necesita suministrar a la caldera para que esta
opere normalmente se obtiene de la ecuación:
Donde el factor de encendido depende de la bomba
Bombas de turbina: 1.15 – 2
Bombas centrifugas 1.10 a 1.15
GE: gravedad especifica del agua =1
Reemplazando:
Capacidad de bombeo en GPM =
0.069 ∗10∗2
1
=1.38 GPM
Obs:
Se elige bombas de turbina ya que nuestra caldera operara de manera
intermitente un promedio de 70 horas por semana
Capacidad y dimensión del tanque de agua de alimentación
La cantidad de vapor que se genera depende directamente de la cantidad de
agua que se suministra a la caldera .se recomienda que la cantidad de agua de
reserva y la capacidad del tanque de alimentación almacene una cantidad
mínima de agua suficiente para sostener la evaporación de la caldera por lo
menos durante 20 minutos
Para nuestro caso la reserva mínima será de:
40. 36
(0.69)GPM*20 min= 13.8 Galones
La AURORA PICSA nos proporciona la siguiente tabla en la cual con la
potencia de la caldera podemos determinar la capacidad del tanque de agua de
alimentación en galones y sus dimensiones en pulgadas. Además
encontraremos la razón de evaporación en galones por minuto, el factor de
encendido y la capacidad de la bomba en galones por minuto
41. 37
Para nuestro caso hacemos la selección tanto de la bomba como las
dimensiones del tanque de agua de alimentación
Como se observa se tendrá:
Dimensión del tanque: 16x42 pulgxpulg
Capacidad del tanque: 30 galones
Capacidad de la bomba: 2 GPM
Factor de encendido: 2
Rapidez de evaporación: 0.7
Cálculo y selección de bombas de agua de alimentación:
Los tipos de bombas que se usan generalmente para el agua de alimentación
son la tipo turbina y tipo centrifuga por lo general estas últimas se usan en
operaciones intermitentes de calderas. Las bombas tipo centrifuga son
seleccionadas en operación continua. Entonces para seleccionar las bombas
se debe de tener en cuenta lo siguiente:
1. Operación continua o intermitente
2. Temperatura del agua de succión
3. Capacidad
4. Presión de descarga
5. Carga neta de succión positiva requerida
Selección del combustible
¿Por qué usar gas natural?
Examinando la continua crecida en los precios de los combustibles comunes, el
Perú está en la necesidad de implementar en sus industrias un combustible con
mayores beneficios económicos (menores costos respecto a otros
combustibles, reducción de costos por mantenimiento, almacenamiento y
transporte de combustible) y que reduzca el impacto ambiental (mayor facilidad
para el cumplimiento de normas ambientales).
El gas natural por sus características reemplaza ventajosamente a otros
combustibles como el Diésel, Residuales, Gas licuado de petróleo (GLP),
Kerosene, Carbón, Leña, haciendo una comparación rápida con los poderes
caloríficos se puede ver que el gas tiene47.7 MJ/Kg., mientras otros
42. 38
combustibles como el gas licuado tiene 46.1 MJ/Kg., el diésel 42.5 MJ/Kg.
Evidenciando una vez más la supremacía. Es por estas importantes razones
que hemos elegido al gas natural como un reemplazante que desplazara a su
titular para un mayor beneficio del generador de vapor.
El gas natural se viene comercializando en nuestro país desde agosto del 2004
siendo la única empresa distribuidora CALIDDA al nivel de Lima y Callao.
Beneficio económico:
Comparemos el consumo de una caldera usando gas natural y petróleo diésel
Para una caldera de 100 BHP con un tiempo de operación de 70 horas por
semana con un consumo diésel de 8 GPH y un factor de servicio de 0.6 se
tiene el consumo energético:
Q=m*PC
Dónde:
Pc = poder calorífico del combustible
m= masa de combustible
Para diésel:
𝑚 𝑐=8
𝑔𝑎𝑙
ℎ𝑟
*70
ℎ𝑟
𝑠𝑒𝑚𝑎𝑛𝑎
*
4𝑠𝑒𝑚𝑎𝑛𝑎𝑠
1𝑚𝑒𝑠
*0.6= 1344 𝑔𝑎𝑙/𝑚𝑒𝑠
𝑃𝐶 𝐷𝑖𝑒𝑠𝑒𝑙= 143150
𝐵𝑡𝑢
𝑔𝑎𝑙
Q= 1344 𝑔𝑎𝑙/𝑚𝑒𝑠* 143150
𝐵𝑡𝑢
𝑔𝑎𝑙
= 193.393 𝑀𝑀𝐵𝑇𝑈/𝑚𝑒𝑠
43. 39
Para gas natural
Pc = 1000 𝐵𝑇𝑈/𝑝𝑖𝑒3 entonces para un mismo consumo energético la masa de
gas que se consume en pies3/mes es:
192.393 𝑀𝑀𝐵𝑇𝑈/𝑚𝑒𝑠= 1𝑀𝐵𝑇𝑈/𝑝𝑖𝑒3 * 𝑚 𝑔𝑎𝑠
𝑚 𝑔𝑎𝑠 = 192393 𝑝𝑖𝑒𝑠3
/𝑚𝑒𝑠
Precio de los combustibles:
Considerando:
Precio diésel= 2.8 $/𝑔𝑎𝑙
Facturación por mes de diésel= 1344 𝑔𝑎𝑙/𝑚𝑒𝑠*2.8 $/𝑔𝑎𝑙= 3763.2 $/𝑚𝑒𝑠
Precio del GN= 10 $/𝑀𝑀𝐵𝑇𝑈
Facturación por mes de GN= 10 $/𝑀𝑀𝐵𝑇𝑈*192.393 MPC/mes = 1923.9 $/𝑚𝑒𝑠
Ahorro mensual
3763.2-1923.9= 1839.3 $/𝑚𝑒𝑠
Selección de la caldera a usar
Deacuerdo a la potencia requerida (BHP) procedemos a seleccionar nuestra
caldera de la siguiente tabla que me expresa el consumo tanto de GLP como
de GNV deacuerdo a determinado equipo:
44. 40
Para nuestro caso se trata de una caldera de 10CC= 10BHP con un
consumo de GLP de 3.5 𝒎𝟑/𝒉 o GN de 8.944 𝒎𝟑/𝒉 dependiendo del
combustible usado
46. 42
𝑞 𝑐𝑜𝑚𝑏 = 3333.33
𝑙𝑖𝑡𝑟𝑜𝑠
ℎ𝑟
1𝑔𝑎𝑙𝑜𝑛
3.75 𝑙𝑖𝑡𝑟𝑜𝑠
𝑞 𝑐𝑜𝑚𝑏 = 888.88 GPH
Para tener una certeza de que el combustible pueda cubrir cualquier demanda
se coloca un factor de seguridad entre 200% y 300% por recomendación de
alimentación de las casas comerciales de modo que:
𝑞 𝑐𝑜𝑚𝑏 = 888.88 GPH x 2
𝑞 𝑐𝑜𝑚𝑏 = 1777.77 GPH = 1800 GPH
Bomba y quemador con un máximo de 1800 GPH
En la bomba no pasa el valor total de 1800 GPH sino solamente los 888.88 el
resto del combustible regresa, por el ciclo de retroalimentación, de igual
manera sucede en el atomizador, lo que no se consume retorna de diario,
mediante la acción de las válvulas solenoides
Selección de bomba
Considerando las especificaciones de los cálculos si como las de diseño,
considerando las bombas existentes en el mercado, analizando todas estas
exigencias determinamos la adquisición de la bomba:
Cleaver Brooks SU-L5-7.5 con una capacidad de 30GPM con una presión de
30 psi, garantizándonos el cumplimiento de nuestros requerimientos
Datos de bomba de agua, Catalogo Cleaver Brooks
47. 43
Principio de funcionamiento
El aire y el combustible se inyectan en el hogar y se inflaman al contacto con la
llama que alimenta. La forma y el posicionamiento de la llama en el hogar son
primordiales para:
Optimizar los fenómenos de radiación y convección
Reducir las emisiones de NOx, CO y polvos
48. 44
Diagrama Flujo Combustible
El quemador funciona con un ligero exceso de oxígeno, 10 a 15% para
garantizar una combustión completa evitando las perdidas térmicas por los
humos. Durante su utilización, el quemador tiene regulaciones próximas al
punto de equilibrio entre la formación creciente de NOx y de CO garantizando
un rendimiento elevado.
Los humos de combustión circulan asi por los circuitos de recuperación, tubos
de humos o circulación alrededor de los serpentines para mejorar los
rendimientos energéticos.
Se considera el valor calculado de la bomba un valor máximo de 1800 GPH
De lo que se elige el quemador:
POWER FLAME TYPE HAC3-06 (cambiar por nuestro quemador)
Balance estequiometrico
Composición química del combustible
Nombre Simbolo %peso Peso molecular
Carbono C 75 12Kg/Kmol
49. 45
Hidrogeno H 25 1Kg/kmol
El aire es la fuente común de oxígeno para la combustión en las calderas; es
una mezcla de oxígeno, nitrógeno y pequeñas cantidades de vapor de agua,
dióxido de carbono, argón y otros elementos. La composición del aire
atmosférico esta dado en la siguiente tabla.
AIRE ATMOSFERICO SECO
ELEMENTO VOLUMEN % PESO MOLECULAR
Nitrogeno 78.09 28.016
Oxigeno 20.95 32.000
Argon 0.93 39.944
Dioxido de carbono 0.03 44.010
Composición química del aire
Nombre Simbolo %peso Peso molecular
Oxigeno O 21 16Kg/kmol
Nitrogeno N 79 14Kg/kmol
El caudal másico es:
Q = 40 GPH
Q = 8100 10−3 𝑚3
ℎ
𝑊𝑠 = Q x p
𝑊𝑠 = 8100 10−3 𝑚3
ℎ
x 0.78
𝐾𝑔
𝑚3
𝑊𝑐𝑜𝑚𝑏 = 6.318
𝐾𝑔
ℎ
Calculo del flujo másico del aire para el carbón WC.
𝑊𝐶𝑎𝑖𝑟𝑒 = 𝑋 𝑂2
+ 𝑋 𝑁2
50. 46
Calculo de la cantidad (X) de oxígeno para formar 𝐶𝑂2
C + 𝑶 𝟐
12 32 (Kg/kmol)
6.318 (75%) X (Kg/h)
X =
32(
Kg
kmol
) 𝑥6.318 (0.75)
𝐾𝑔
ℎ
12
𝐾𝑔
𝑘𝑚𝑜𝑙
X = 12.636
𝐾𝑔
ℎ
Calculo de la cantidad (X) de Nitrógeno para formar el aire.
Aire
𝑶 𝟐 + 𝑵 𝟐
23 77 %composición del aire
12.636 X (Kg/h)
X =
0.77𝑥12.636
𝐾𝑔
ℎ
0.23
X = 42.303
𝐾𝑔
ℎ
𝑊𝐶𝑎𝑖𝑟𝑒 = 𝑋 𝑂2
+ 𝑋 𝑁2
𝑊𝐶𝑎𝑖𝑟𝑒 = 12.636
𝐾𝑔
ℎ
+ 42.303
𝐾𝑔
ℎ
𝑊𝐶𝑎𝑖𝑟𝑒 =54.939
𝐾𝑔
ℎ
Calculo del flujo másico del aire para el Hidrogeno 𝑊𝐻2
2𝑯 𝟐 + 𝑶 𝟐
4 32 (Kg/kmol)
6.318 (25%) X (Kg/h)
X =
32(
Kg
kmol
) 𝑥6.318 (0.1)
𝐾𝑔
ℎ
4
𝐾𝑔
𝑘𝑚𝑜𝑙
X = 5.0544
𝐾𝑔
ℎ
51. 47
Calculo de la cantidad (X) de Nitrógeno para formar el aire
Aire
𝑶 𝟐 + 𝑵 𝟐
23 77 %composición del aire
5.0544 X (Kg/h)
X =
0.77𝑥5.0544
𝐾𝑔
ℎ
0.23
X = 16.921
𝐾𝑔
ℎ
𝑊𝐻2
= 𝑋 𝑂2
+ 𝑋 𝑁2
𝑊𝐻2
=5.0544
𝐾𝑔
ℎ
+ 16.921
𝐾𝑔
ℎ
𝑊𝐻2
= 21.942
𝐾𝑔
ℎ
𝑊𝑇𝑂𝑇𝐴𝐿𝑎𝑖𝑟𝑒 = 𝑊𝑐 + + 𝑊𝐻2
𝑊𝑇𝑂𝑇𝐴𝐿𝑎𝑖𝑟𝑒 = 54.939
𝐾𝑔
ℎ
+ 21.942
𝐾𝑔
ℎ
𝑊𝑇𝑂𝑇𝐴𝐿𝑎𝑖𝑟𝑒 = 76.881
𝐾𝑔
ℎ
Calculo relación Aire-Combustible
Aires eco:
𝑂2 + 𝑁2
Aire
𝑂2 ……..23%
𝐻2 …….77%
Combustible:
Peso
Hidrogeno (𝐻2) 25%
Carbono (C) 75%
100%
52. 48
Reacción de combustión:
𝐶𝐻4 + (𝑂2+ 𝑁2) …………….𝑥𝐶𝑂2 + 𝑦𝐻2 𝑂
𝐶𝐻4 + (𝑂2+ 3.76𝑁2 ) …………….𝑥𝐶𝑂2 + 𝑦𝐻2 𝑂
Relación porcentual de nitrógeno/ oxigeno 79/21 = 3.76
𝐶𝐻4 + (𝑂2+ 3.76𝑁2 )
75𝐶 + 25𝐻4 + b𝐻2 𝑂
x𝐶𝐻4 + a(𝑂2 + 3.76𝑁2)………. 75𝐶 + 25𝐻4 + b𝐻2 𝑂
𝑁2 = 3.76 * a = 79……….. a = 21.01
C = 12x = 75…………… x = 6.25
H = 4x = 2b…………….. b = 12.5
La reacción queda:
x𝐶𝐻4 + a(𝑂2 + 3.76𝑁2 )……….75𝐶 + 25𝐻4 + b𝐻2 𝑂
6.25𝐶𝐻4 + 21.01 (𝑂2 + 3.76𝑁2 )……….75𝐶 + 25𝐻4 + 12.5𝐻2 𝑂
La ecuación de combustión para 1 kmol de combustible se obtiene al dividir la
ecuación anterior entre 6.25
𝐶𝐻4 + 3.36(𝑂2 + 3.76𝑁2 )……….12𝐶 + 4𝐻4 + 2𝐻2 𝑂
𝐶𝐻4 + 3.36(𝑂2 + 3.76𝑁2 )………. 12𝐶 + 2𝐻2 𝑂 + 3.76 at 𝑁2
La relación aire combustible se determina tomando la proporción entre la masa
del aire y la masa del combustible:
53. 49
AC =
𝑚 𝑎𝑖𝑟𝑒
𝑚 𝑐𝑜𝑚𝑏
=
(21.01 ∗4.76 𝑘𝑚𝑜𝑙)∗(33.6 𝐾𝑔/𝑘𝑚𝑜𝑙)
(12𝑘𝑚𝑜𝑙)(
12𝑘𝑔
𝑘𝑚𝑜𝑙
)+(2𝑘𝑚𝑜𝑙)(2𝑘𝑔/𝑘𝑚𝑜𝑙 )
AC = 22.704
𝐾𝑔 𝑎𝑖𝑟𝑒
𝐾𝑔 𝑐𝑜𝑚𝑏
Para encontrar el porcentaje de aire teórico se necesita conocer la cantidad de
aire teórico, que la determinamos con la ecuación de combustión teórica del
combustible:
𝐶𝐻4 + 3.36(𝑂2 + 3.76𝑁2 )………. 12𝐶 + 2𝐻2 𝑂 + 3.76 at 𝑁2
At = 12 + 1 = 13
Porcentaje de aireteorico:
𝑚 𝑎𝑖𝑟𝑒 𝑟𝑒𝑎𝑙
𝑚 𝑎𝑖𝑟𝑒 𝑡
=
𝑁 𝑎𝑖𝑟𝑒 𝑟𝑒𝑎𝑙
𝑁 𝑎𝑖𝑟𝑒 𝑡
𝑚 𝑎𝑖𝑟𝑒 𝑟𝑒𝑎𝑙
𝑚 𝑎𝑖𝑟𝑒 𝑡
=
21.01
13
*
4.76 𝐾𝑚𝑜𝑙
4.76 𝐾𝑚𝑜𝑙
𝑚 𝑎𝑖𝑟𝑒 𝑟𝑒𝑎𝑙
𝑚 𝑎𝑖𝑟𝑒 𝑡
= 161.53 %
Se utilizó un 61.53 % de exceso de aire durante el proceso de combustión.
54. 50
IV. CRONOGRAMA DE ACTIVIDADES
En un proceso ordenado y correctamente estructurado de planeación se
tendrá en cuenta todos los procesos necesarios, desde diseño y cálculo
hasta una posible construcción, selección e implementación. Para esto
se hará uso del software “Project”, obteniéndose el siguiente esquema:
FIGURA N°14
PROYECTO DE IMPLEMENTACIÓN DE UN SISTEMA DE
CALEFACCIÓN PARA EDIFICIOS DE VIVIENDAS EN LIMA
Fuente: Propia
V. CONCLUSIONES Y RECOMENDACIONES
55. 51
Se llegó a determinar la carga térmica mediante métodos y
basándonos en normas ya establecidas.
Se logró hacer un esquema donde se representa la posible
ubicación de los equipos evaporadores, considerando el régimen
de trabajo.
Tomando como referencia los resultados obtenidos, este aún
puede ajustarse más, analizando otros detalles que obviamos por
las limitaciones. Se recomienda también emplear un software de
cálculo y diseño con el fin de verificar y mejorar los resultados.
VI. REFERENCIAS BIBLIOGRÁFICAS
Referencias
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http://blog.aquabazar.com/2014/11/instalaciones-monotubo-calefaccion.html
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CONSTRUCCION DE UNA MINI CALDERA PIROTUBULARPARA EL LABORATORIODE
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56. 52
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PIMMSA. (s.f.). Caldera Pirotubular- Catalogo. Obtenidode
http://www.calderaspimmsa.com.mx/c_horizontales.html
VII. ANEXOS
ANEXO 1
Tablas generales