UNIVERSIDAD NACIONAL DE INGENIERÍA
FACULTAD DE INGENIERÍA MECÁNICA
ESCUELA PROFESIONAL DE INGENIERÍA MECÁNICA
MONOGRAFÍA N°2
CURSO Y SECCIÓN
Fuerza Motriz Térmica “A”
PROFESOR
Ing. Aguilar Vizcarra Duilio Leoncio
INTEGRANTES
SOTELO CAMONES, BILCLINTON
20162552C
SOLLER SANCHEZ, JHEISON HAROLD BRYAN
20162584B
ROJAS TAMARA, JEFFERSON DANIEL
20161207K
RODRÍGUEZ MEZA, GONZALO ANDRE
20161118H
MALDONADO ROMÁN, JESÚS ALDHAIR
20162559H
Decimo ciclo
Julio, 2021
Contenido
Titulo ................................................................................................................... 4
Objetivos ............................................................................................................ 4
Objetivo General.............................................................................................. 4
Objetivos Específicos ...................................................................................... 4
Tabla resumen de datos ................................................................................... 5
Tabla de datos del ciclo de gas (Brayton) ....................................................... 5
Tabla de datos del ciclo de vapor (Rankine) ................................................... 5
Plano de Instalación de la Planta 1ra Etapa ................................................... 6
Plano de la Instalación de la Planta a los 25 años ......................................... 7
Calculo y Dimensionamiento del Sistema de Combustible .......................... 8
Cálculo de la tubería de gas ............................................................................ 8
Cálculo Del Tiro De La Chimenea Para El Caldero Recuperador ................. 11
Calculo y Dimensionamiento de la Planta de Tratamiento de Agua .......... 16
Cálculo del Ablandador ................................................................................. 16
Calculo del Volumen de la Resina ............................................................. 16
Volumen de agua entre cada regeneración ............................................... 17
Tiempo de regeneración y enjuague ......................................................... 17
Gasto de agua para enjuague de las resinas ............................................ 18
Dimensiones del ablandador ..................................................................... 18
Calculo y Dimensionamiento del Sistema de Vapor .................................... 20
Línea de Tubería – Tramo a .......................................................................... 21
Línea de Tubería - Tramo b........................................................................... 23
Línea de Tubería – Tramo c .......................................................................... 25
Línea de Tubería – Tramo d .......................................................................... 27
Selección de accesorios ................................................................................ 30
Conclusiones y recomendaciones ................................................................ 31
Bibliografía ...................................................................................................... 32
4
Titulo
“INSTALACIÓN DE UNA PLANTA DE CICLO COMBINADO CON COGENERACIÓN
PARA GENERACIÓN DE ENERGÍA ELÉCTRICA DE 80 MW”
Objetivos
Objetivo General
El presente trabajo tiene como finalidad mostrar el plano de distribución de los equipos
que conforman la planta en la primera etapa y el plano de distribución de este luego de los
25 años. Además, se detalla el cálculo y dimensionamiento del sistema de tuberías en general
que conforma la planta en sus diversos sistemas.
Objetivos Específicos

Mostrar una tabla resumen de los datos recopilados de la monografía 1

Hacer los planos correspondientes de distribución de la planta

Realizar cálculos del sistema del combustible

Realizar cálculos del sistema de tratamiento de agua

Realizar cálculos del sistema de vapor

Presentar las conclusiones a este trabajo monográfico
5
Tabla resumen de datos
Tabla de datos del ciclo de gas (Brayton)
Datos del ciclo de gas
ITEM
VALOR
UNIDAD
Potencia del compresor
60.664
MW
Potencia de la turbina
124.28
MW
Flujo de aire
130.219
kg/s
Flujo de combustible
6.381
kg/s
Flujo total
136.6
kg/s
Temperatura 1
288
K
Temperatura 2
752.2
K
Temperatura 3
1725.723
K
Temperatura 4
865.4
K
Temperatura 5
383
K
Presión 1
1
bar
Presión 2
22
bar
Presión 3
22
bar
Presión 4
1
bar
Tabla de datos del ciclo de vapor (Rankine)
Datos del ciclo de vapor
ITEM
VALOR
UNIDAD
Potencia de la turbina
60.664
MW
Potencia de la bomba
124.28
MW
Flujo de vapor
130.219
kg/s
Temperatura a
6.381
kg/s
Temperatura b
136.6
kg/s
Temperatura c
288
K
Temperatura d
752.2
K
Presión a
1725.723
K
Presión b
865.4
K
Presión c
1
bar
Presión d
22
bar
6
Plano de Instalación de la Planta 1ra Etapa
.
7
Plano de la Instalación de la Planta a los 25 años
En el análisis de la proyección de la demanda que se realizó previamente, se asume un
crecimiento lineal de la demanda, debido a ello para los primeros 5 años se debe implementar
las 2 turbinas de gas para poder satisfacer la demanda dentro de los 5 años; es decir, la
planta rediseñada tendría 3 turbinas de gas cada una con su respectiva caldera recuperadora
y una turbina de vapor, luego ya con la proyección a 25 años se calculó que la demanda se
aproxima al valor de 983.45 MW, para ello, se debe tener un total 4 plantas iguales a la que
se presenta en el rediseño. Para abastecer y cubrir la potencia requerida.
8
Calculo y Dimensionamiento del Sistema de Combustible
Cálculo de la tubería de gas
Cálculo del diámetro interno
De la tabla de datos previamente mostrado tenemos el flujo de combustible (carbón
gasificado) en kg/s. Calculamos el flujo volumétrico en Nm3/hr (a la temperatura de 15°C y
presión de 1 bar). Entonces conocido 𝑅𝑅 = 0.523
𝑘𝑘𝑘𝑘
𝑘𝑘𝑘𝑘−𝐾𝐾
de la ecuación los gases tenemos:
𝑃𝑃 ∙ 𝑉𝑉̇ = 𝑚𝑚̇ ∙ 𝑅𝑅 ∙ 𝑇𝑇
(100 𝑘𝑘𝑘𝑘𝑘𝑘) ∙ 𝑉𝑉̇ = �6.381 × 3600
𝑘𝑘𝑘𝑘
� × 0.523 × 288
ℎ𝑟𝑟
𝑉𝑉̇ = 𝑄𝑄 = 34 600.74 𝑁𝑁𝑚𝑚3 /ℎ𝑟𝑟
Para el transporte de gases la velocidad recomendada para diversos gases
combustibles es de aproximadamente 20 𝑚𝑚/𝑠𝑠.
Teniendo en cuenta que la línea del gas dentro de la planta estará a 22 bar (22.43
𝑘𝑘𝑘𝑘
𝑐𝑐𝑚𝑚2
),
reemplazando estos datos en la siguiente ecuación para el cálculo del diámetro interior de
una línea de gas.
365.35 ∙ 𝑄𝑄
𝑉𝑉 (𝑃𝑃 + 1)
𝜙𝜙𝑖𝑖 = �
Donde:
𝜙𝜙𝑖𝑖 : Diámetro de la tubería (mm)
𝑄𝑄: Caudal del gas (Nm3/hr)
𝑉𝑉: Velocidad del combustible en el ducto (m/s)
𝑃𝑃: Presión del combustible que pasa por el ducto (kg/cm2)
Entonces:
𝜙𝜙𝑖𝑖 = �
365.35 × 34600.74
= 164.25 𝑚𝑚𝑚𝑚 = 𝟔𝟔. 𝟓𝟓 𝒑𝒑𝒖𝒖𝒖𝒖𝒖𝒖
20 × (22.43 + 1)
𝜙𝜙𝑖𝑖 = 𝟖𝟖 𝒑𝒑𝒑𝒑𝒑𝒑𝒑𝒑 (𝑐𝑐𝑐𝑐𝑐𝑐𝑐𝑐𝑐𝑐𝑐𝑐𝑐𝑐𝑐𝑐𝑐𝑐)
9
Selección del material de la tubería
La tubería de acero ASTM A53 es recomendada para instalaciones de gas y
conducción de fluidos poco corrosivos como aceite, aire, agua, gas y vapor a altas y medias
presiones. Por lo tanto, el material de la tubería será un ASTM A53 Gr A.
Cálculo del Numero de Schedule (SN)
Se sabe que:
𝑆𝑆𝑆𝑆 =
Donde:
1000 ∙ 𝑃𝑃𝑖𝑖
𝑆𝑆
𝑃𝑃𝑖𝑖 : Presión interna de servicio en psi o kg/cm2
𝑆𝑆: Esfuerzo permisible a la temperatura de diseño en psi o kg/cm2
De acuerdo con la norma ASME B31.1-2020 el esfuerzo permisible del acero A53 Gr
B es de 9300 PSI. Además, la presión de trabajo de la tubería es de 22 bar (320 psi)
Entonces:
𝑆𝑆𝑆𝑆 =
1000 × 320
= 23 (𝑛𝑛𝑛𝑛 𝑒𝑒𝑒𝑒 𝑐𝑐𝑐𝑐𝑐𝑐𝑒𝑒𝑒𝑒𝑒𝑒𝑒𝑒𝑒𝑒𝑒𝑒)
13700
𝑆𝑆𝑆𝑆 = 𝟒𝟒𝟒𝟒 (𝒕𝒕𝒕𝒕𝒕𝒕𝒕𝒕𝒕𝒕𝒕𝒕 𝒆𝒆𝒆𝒆𝒆𝒆𝒆𝒆𝒆𝒆𝒆𝒆𝒆𝒆𝒆𝒆)
Cálculo de las dimensiones nominales
Utilizando las tablas de la norma ASME B36.10M-2015 buscamos las dimensiones de
un tubo de acero que cumpla con los valores calculados anteriormente.
Con NPS 8 y SN 40:
𝑂𝑂𝑂𝑂 = 8.625 𝑝𝑝𝑝𝑝𝑝𝑝𝑝𝑝.
𝑊𝑊𝑊𝑊 = 0.322 𝑝𝑝𝑝𝑝𝑝𝑝𝑝𝑝.
𝐷𝐷𝑖𝑖 = 𝑂𝑂𝑂𝑂 − 2 ∙ 𝑊𝑊𝑊𝑊 = 8.625 − 2 × 0.322 = 7.981 > 6.5 𝑝𝑝𝑝𝑝𝑝𝑝𝑝𝑝. (𝑐𝑐𝑐𝑐𝑐𝑐𝑐𝑐𝑐𝑐𝑐𝑐)
De acuerdo con la norma ASME B31.1-2020 el espesor mínimo de la pared del tubo
se calcula con la siguiente ecuación.
10
𝑡𝑡𝑚𝑚 =
Donde:
𝑃𝑃𝑖𝑖 ∙ 𝐷𝐷𝑜𝑜
+ 𝐴𝐴
2 ∙ (𝑆𝑆 ∙ 𝐸𝐸 ∙ 𝑊𝑊 + 𝑃𝑃𝑖𝑖 ∙ 𝑦𝑦)
𝑃𝑃𝑖𝑖 : Presión interna de servicio en psi
𝐷𝐷𝑜𝑜 : Diámetro exterior de la tubería en pulg
𝑆𝑆: Esfuerzo permisible a la temperatura de diseño en psi
E: eficiencia de la unión soldada (E=1 para nuestro caso)
W: factor de reducción de la resistencia de la soldadura (W=1 para nuestro caso)
y: coeficiente por efectos de temperatura y material del tubo según tabla ASME
B31.1 (y=0.4 en nuestro caso).
A: espesor adicional (A=0 para nuestro caso)
Reemplazando:
𝑡𝑡𝑚𝑚 =
320 × 8.625
= 0.1 𝑝𝑝𝑝𝑝𝑝𝑝𝑝𝑝. < 𝑊𝑊𝑡𝑡 = 0.322 𝑝𝑝𝑝𝑝𝑝𝑝𝑝𝑝. (𝑐𝑐𝑐𝑐𝑐𝑐𝑐𝑐𝑐𝑐𝑐𝑐)
2 × 13700 + 2 × 320 × 0.4
Entonces las dimensiones seleccionadas cumplen con los requerimientos. Por lo
tanto, el tubo tendrá la siguiente nominación.
Tubería del combustible (carbón gasificado): NPS 8 pulg SN 40 ASTM A53 Gr.A
11
Cálculo Del Tiro De La Chimenea Para El Caldero Recuperador
a) Cálculo del tiro de la chimenea
𝐷𝐷𝐷𝐷 = 𝐻𝐻 ∗ (
353
371
−
)
𝑇𝑇𝑇𝑇 + 273 𝑇𝑇𝑇𝑇 + 273
𝐷𝐷𝐷𝐷𝐷𝐷𝐷𝐷𝐷𝐷:
𝐻𝐻: 𝐴𝐴𝐴𝐴𝐴𝐴𝐴𝐴𝐴𝐴𝐴𝐴 𝑑𝑑𝑑𝑑 𝑙𝑙𝑙𝑙 𝑐𝑐ℎ𝑖𝑖𝑖𝑖𝑖𝑖𝑖𝑖𝑖𝑖𝑖𝑖 [𝑚𝑚]
𝑇𝑇𝑇𝑇: 𝑇𝑇𝑇𝑇𝑇𝑇𝑇𝑇𝑇𝑇𝑇𝑇𝑇𝑇𝑇𝑇𝑇𝑇𝑟𝑟𝑎𝑎 𝑑𝑑𝑒𝑒𝑒𝑒 𝑎𝑎𝑎𝑎𝑎𝑎𝑎𝑎[°𝐶𝐶 ]
𝑇𝑇𝑇𝑇: 𝑇𝑇𝑇𝑇𝑇𝑇𝑇𝑇𝑇𝑇𝑇𝑇𝑇𝑇𝑇𝑇𝑇𝑇𝑇𝑇𝑇𝑇 𝑑𝑑𝑑𝑑𝑑𝑑 𝑔𝑔𝑔𝑔𝑔𝑔
Dato:
𝑘𝑘𝑘𝑘
𝐷𝐷𝐷𝐷: 𝑇𝑇𝑇𝑇𝑇𝑇𝑇𝑇 𝑑𝑑𝑑𝑑𝑑𝑑𝑑𝑑𝑑𝑑𝑑𝑑𝑑𝑑𝑑𝑑𝑑𝑑𝑑𝑑 𝑑𝑑𝑑𝑑 𝑝𝑝𝑝𝑝𝑝𝑝𝑝𝑝𝑝𝑝𝑝𝑝𝑝𝑝𝑝𝑝𝑝𝑝 [ � 2 𝑜𝑜 𝑚𝑚𝑚𝑚𝑚𝑚20]
𝑚𝑚
𝑇𝑇5 = 𝑇𝑇𝑇𝑇 = 𝑇𝑇𝑇𝑇𝑇𝑇𝑇𝑇𝑇𝑇𝑇𝑇𝑇𝑇𝑇𝑇𝑇𝑇𝑇𝑇𝑇𝑇 𝑑𝑑𝑑𝑑 𝑙𝑙𝑙𝑙𝑙𝑙 𝑔𝑔𝑔𝑔𝑔𝑔𝑔𝑔𝑔𝑔 𝑑𝑑𝑑𝑑 𝑐𝑐𝑐𝑐𝑐𝑐𝑐𝑐𝑐𝑐𝑐𝑐𝑐𝑐𝑐𝑐𝑐𝑐𝑐𝑐 𝑎𝑎 𝑙𝑙𝑙𝑙 𝑠𝑠𝑠𝑠𝑙𝑙𝑙𝑙𝑑𝑑𝑎𝑎 𝑑𝑑𝑑𝑑𝑑𝑑 𝐻𝐻𝐻𝐻𝐻𝐻𝐻𝐻 = 110°𝐶𝐶
Se calcula el tiro de la chimenea asumiendo una altura de elevación de 60 metros
𝐷𝐷𝐷𝐷 = 60 ∗ �
371
353
� = 12.953 𝑚𝑚𝑚𝑚𝑚𝑚20
−
25 + 273 110 + 273
Obtenemos 12.953 mmH20 como tiro natural que es vencido por el empuje que se da por
diferencia de densidades entre el aire de la atmosfera y los gases de combustión caliente
dentro de las dimensiones de la chimenea de sección circular
b) Cálculo de la velocidad teórica de la chimenea
Por Torricelli, la velocidad máxima (sin considerar perdidas dentro de la chimenea) que
podrían alcanzar los gases está determinada por la ecuación:
𝑉𝑉𝑉𝑉 = �2 ∗ 𝑔𝑔 ∗ 𝐻𝐻
12
𝐷𝐷𝐷𝐷𝐷𝐷𝐷𝐷𝐷𝐷:
𝑉𝑉𝑉𝑉: 𝑉𝑉𝑒𝑒𝑙𝑙𝑙𝑙𝑙𝑙𝑖𝑖𝑑𝑑𝑑𝑑𝑑𝑑 𝑡𝑡𝑡𝑡𝑡𝑡𝑡𝑡𝑡𝑡𝑡𝑡𝑡𝑡 𝑑𝑑𝑑𝑑𝑑𝑑𝑑𝑑𝑑𝑑𝑑𝑑 𝑑𝑑𝑑𝑑 𝑙𝑙𝑙𝑙 𝑐𝑐ℎ𝑖𝑖𝑖𝑖𝑖𝑖𝑖𝑖𝑖𝑖𝑖𝑖 [𝑚𝑚⁄𝑠𝑠]
𝐻𝐻: 𝐴𝐴𝐴𝐴𝐴𝐴𝑢𝑢𝑢𝑢𝑢𝑢 𝑑𝑑𝑑𝑑 𝑙𝑙𝑙𝑙 𝑐𝑐ℎ𝑖𝑖𝑖𝑖𝑖𝑖𝑖𝑖𝑖𝑖𝑖𝑖 [𝑚𝑚]
𝑔𝑔: 𝑎𝑎𝑎𝑎𝑎𝑎𝑎𝑎𝑎𝑎𝑎𝑎𝑎𝑎𝑎𝑎𝑎𝑎𝑎𝑎𝑎𝑎 𝑑𝑑𝑑𝑑 𝑙𝑙𝑙𝑙 𝑔𝑔𝑔𝑔𝑔𝑔𝑔𝑔𝑔𝑔𝑔𝑔𝑔𝑔𝑔𝑔[𝑚𝑚� 2 ]
𝑠𝑠
Entonces, remplazando valores:
𝑉𝑉𝑉𝑉 = �2 ∗ 9,81 ∗ 60 = 34,3103 𝑚𝑚⁄𝑠𝑠
Esta velocidad teórica es una velocidad sin considerar perdidas dentro de la chimenea, por
lo cual para hallar la velocidad real del gas en la chimenea se tiene que aplicar un coeficiente
de velocidad cuyos valores oscilan entre:
𝑘𝑘 = 𝑐𝑐𝑐𝑐𝑐𝑐𝑐𝑐𝑐𝑐𝑐𝑐𝑐𝑐𝑐𝑐𝑐𝑐𝑐𝑐𝑒𝑒 𝑑𝑑𝑑𝑑 𝑣𝑣𝑣𝑣𝑣𝑣𝑣𝑣𝑣𝑣𝑣𝑣𝑣𝑣𝑣𝑣𝑑𝑑 = [0.3 − 0.5]
Permitiéndonos calcular la velocidad media de los gases en la chimenea:
𝑉𝑉𝑉𝑉 = 𝑘𝑘 ∗ 𝑉𝑉𝑉𝑉 = 0.4 ∗ 34,3103 = 13.7241 𝑚𝑚⁄𝑠𝑠
La velocidad recomendada para los gases dentro de la chimenea oscila en el rango de [6.1015.2] m/s, lo que nos indica que la velocidad media de los gases calculada cumple con los
requisitos, por lo tanto, la altura de diseño de la chimenea es la correcta, además actualmente
muchas centrales de ciclo combinado trabajan con esta altura recomendada como es la
Central Termoeléctrica de Chilca como referencia.
c) Área de la sección transversal superior de la chimenea se determina por:
𝐴𝐴 =
𝑚𝑚̇𝑔𝑔𝑔𝑔𝑔𝑔𝑔𝑔𝑔𝑔
𝜌𝜌𝑔𝑔𝑔𝑔𝑔𝑔𝑔𝑔𝑔𝑔 ∗ 𝑣𝑣
𝐷𝐷𝐷𝐷𝐷𝐷𝐷𝐷𝐷𝐷:
𝐴𝐴: 𝐴𝐴𝐴𝐴𝐴𝐴𝐴𝐴 𝑑𝑑𝑑𝑑 𝑙𝑙𝑙𝑙 𝑠𝑠𝑠𝑠𝑠𝑠𝑠𝑠𝑠𝑠ó𝑛𝑛 𝑡𝑡𝑡𝑡𝑡𝑡𝑡𝑡𝑡𝑡𝑡𝑡𝑡𝑡𝑡𝑡𝑡𝑡𝑡𝑡𝑡𝑡 𝑠𝑠𝑠𝑠𝑠𝑠𝑠𝑠𝑠𝑠𝑠𝑠𝑠𝑠𝑠𝑠 𝑑𝑑𝑑𝑑 𝑙𝑙𝑙𝑙 𝑐𝑐ℎ𝑖𝑖𝑖𝑖𝑖𝑖𝑖𝑖𝑖𝑖𝑖𝑖 [𝑚𝑚2 ]
𝑣𝑣: 𝑉𝑉𝑉𝑉𝑉𝑉𝑉𝑉𝑉𝑉𝑉𝑉𝑉𝑉𝑉𝑉𝑉𝑉 𝑑𝑑𝑑𝑑 𝑙𝑙𝑙𝑙𝑙𝑙 𝑔𝑔𝑔𝑔𝑔𝑔𝑔𝑔𝑔𝑔 𝑒𝑒𝑒𝑒 𝑙𝑙𝑙𝑙 𝑐𝑐ℎ𝑖𝑖𝑖𝑖𝑖𝑖𝑖𝑖𝑖𝑖𝑖𝑖 [𝑚𝑚⁄𝑠𝑠]
13
𝑚𝑚̇𝑔𝑔𝑎𝑎𝑠𝑠𝑠𝑠𝑠𝑠 : 𝑓𝑓𝑓𝑓𝑓𝑓𝑓𝑓𝑓𝑓 𝑚𝑚𝑚𝑚𝑚𝑚𝑚𝑚𝑚𝑚𝑚𝑚 𝑑𝑑𝑑𝑑 𝑙𝑙𝑙𝑙𝑙𝑙 𝑔𝑔𝑔𝑔𝑔𝑔𝑔𝑔𝑔𝑔 [
𝑘𝑘𝑘𝑘�
𝑠𝑠]
𝑘𝑘𝑘𝑘�
]
𝑚𝑚3
𝜌𝜌𝑔𝑔𝑎𝑎𝑎𝑎𝑎𝑎𝑎𝑎 : 𝐷𝐷𝐷𝐷𝐷𝐷𝐷𝐷𝐷𝐷𝐷𝐷𝐷𝐷𝐷𝐷 𝑑𝑑𝑑𝑑 𝑙𝑙𝑙𝑙𝑙𝑙 𝑔𝑔𝑔𝑔𝑔𝑔𝑔𝑔𝑔𝑔 𝑑𝑑𝑑𝑑 𝑐𝑐𝑐𝑐𝑐𝑐𝑐𝑐𝑐𝑐𝑐𝑐𝑐𝑐𝑐𝑐ó𝑛𝑛[
Datos ya calculados anteriormente:
𝑣𝑣: 𝑉𝑉𝑉𝑉𝑉𝑉𝑉𝑉𝑉𝑉𝑉𝑉𝑉𝑉𝑉𝑉𝑉𝑉 𝑑𝑑𝑑𝑑 𝑙𝑙𝑙𝑙𝑙𝑙 𝑔𝑔𝑔𝑔𝑔𝑔𝑔𝑔𝑔𝑔 𝑒𝑒𝑒𝑒 𝑙𝑙𝑙𝑙 𝑐𝑐ℎ𝑖𝑖𝑖𝑖𝑖𝑖𝑖𝑖𝑖𝑖𝑖𝑖 = 13.7241 𝑚𝑚⁄𝑠𝑠
𝑚𝑚̇𝑔𝑔𝑔𝑔𝑔𝑔𝑔𝑔𝑔𝑔 : 𝑓𝑓𝑓𝑓𝑓𝑓𝑓𝑓𝑓𝑓 𝑚𝑚𝑚𝑚𝑚𝑚𝑚𝑚𝑚𝑚𝑚𝑚 𝑑𝑑𝑑𝑑 𝑙𝑙𝑙𝑙𝑙𝑙 𝑔𝑔𝑔𝑔𝑔𝑔𝑔𝑔𝑔𝑔 = 136.6
𝑘𝑘𝑘𝑘�
𝑠𝑠
Para determinar la densidad de los gases se usa la ecuación de los gases ideales a
condiciones atmosféricas ya que gases de combustión en la chimenea se encuentras a estas
condiciones:
𝜌𝜌𝑔𝑔𝑔𝑔𝑔𝑔𝑔𝑔𝑔𝑔
𝑘𝑘𝑘𝑘𝑘𝑘
�10330 2 �
𝑃𝑃
𝑘𝑘𝑘𝑘
𝑚𝑚
=
=
= 0.9205 3
𝑚𝑚
𝑅𝑅 ∗ 𝑇𝑇 (29.3 )(110 + 273 𝐾𝐾)
𝑚𝑚
𝐾𝐾
Entonces el Área de la sección transversal superior de la chimenea es :
El Radio seria:
𝑘𝑘𝑘𝑘
136.6 �𝑠𝑠
= 10.8126 𝑚𝑚2
𝐴𝐴 =
𝑘𝑘𝑘𝑘
𝑚𝑚
0.9205 3 ∗ 13.7241 ⁄𝑠𝑠
𝑚𝑚
10.8126
𝐴𝐴
= 1.8552 𝑚𝑚
𝑅𝑅 = � = �
𝜋𝜋
𝜋𝜋
d) Resistencia en el ducto de humos de la chimenea:
𝐷𝐷𝐻𝐻 =
𝑑𝑑
(𝑓𝑓 ∗ 𝑣𝑣 2 ∗ 𝐻𝐻)
∗
1000
2 ∗ 𝑔𝑔 ∗ 𝑅𝑅
𝐷𝐷𝐷𝐷𝐷𝐷𝐷𝐷𝐷𝐷:
𝐷𝐷𝐻𝐻 : 𝑇𝑇𝑇𝑇𝑇𝑇𝑇𝑇 𝑝𝑝𝑝𝑝𝑝𝑝𝑝𝑝 𝑒𝑒𝑒𝑒 𝑑𝑑𝑑𝑑𝑑𝑑𝑑𝑑𝑑𝑑 𝑑𝑑𝑑𝑑 ℎ𝑢𝑢𝑢𝑢𝑢𝑢𝑢𝑢[𝑚𝑚𝑚𝑚𝑚𝑚20]
𝑘𝑘𝑘𝑘�
]
𝑚𝑚3
𝑑𝑑: 𝐷𝐷𝐷𝐷𝐷𝐷𝐷𝐷𝐷𝐷𝐷𝐷𝐷𝐷𝐷𝐷 𝑑𝑑𝑑𝑑𝑑𝑑 𝑔𝑔𝑔𝑔𝑔𝑔 [
𝑓𝑓: 𝐶𝐶𝐶𝐶𝐶𝐶𝐶𝐶𝐶𝐶𝐶𝐶𝐶𝐶𝐶𝐶𝐶𝐶𝐶𝐶𝐶𝐶 𝑑𝑑𝑑𝑑 𝑓𝑓𝑓𝑓𝑓𝑓𝑓𝑓𝑓𝑓𝑓𝑓ó𝑛𝑛 𝑒𝑒𝑒𝑒 𝑒𝑒𝑒𝑒 𝑑𝑑𝑑𝑑𝑑𝑑𝑑𝑑𝑑𝑑 [0,014]
14
𝑣𝑣: 𝑉𝑉𝑉𝑉𝑉𝑉𝑉𝑉𝑉𝑉𝑉𝑉𝑉𝑉𝑉𝑉𝑉𝑉 𝑑𝑑𝑑𝑑 𝑙𝑙𝑙𝑙𝑙𝑙 𝑔𝑔𝑔𝑔𝑔𝑔𝑔𝑔𝑔𝑔 𝑒𝑒𝑒𝑒 𝑙𝑙𝑎𝑎 𝑐𝑐ℎ𝑖𝑖𝑖𝑖𝑖𝑖𝑖𝑖𝑖𝑖𝑖𝑖 [𝑚𝑚⁄𝑠𝑠]
𝐻𝐻: 𝐴𝐴𝐴𝐴𝐴𝐴𝐴𝐴𝐴𝐴𝐴𝐴 𝑑𝑑𝑑𝑑 𝑙𝑙𝑙𝑙 𝑐𝑐ℎ𝑖𝑖𝑖𝑖𝑖𝑖𝑖𝑖𝑒𝑒𝑎𝑎 [𝑚𝑚]
𝑔𝑔: 𝑎𝑎𝑎𝑎𝑎𝑎𝑎𝑎𝑎𝑎𝑎𝑎𝑎𝑎𝑎𝑎𝑎𝑎𝑎𝑎𝑎𝑎 𝑑𝑑𝑑𝑑 𝑙𝑙𝑙𝑙 𝑔𝑔𝑔𝑔𝑔𝑔𝑔𝑔𝑔𝑔𝑔𝑔𝑔𝑔𝑔𝑔[𝑚𝑚� 2 ]
𝑠𝑠
𝑅𝑅: 𝑅𝑅𝑅𝑅𝑅𝑅𝑅𝑅𝑅𝑅 𝑑𝑑𝑑𝑑 𝑙𝑙𝑙𝑙 𝑠𝑠𝑠𝑠𝑠𝑠𝑠𝑠𝑠𝑠ó𝑛𝑛 𝑡𝑡𝑡𝑡𝑡𝑡𝑡𝑡𝑡𝑡𝑡𝑡𝑡𝑡𝑡𝑡𝑡𝑡𝑡𝑡𝑡𝑡 𝑑𝑑𝑑𝑑 𝑙𝑙𝑙𝑙 𝑝𝑝𝑝𝑝𝑝𝑝𝑝𝑝𝑝𝑝 𝑠𝑠𝑠𝑠𝑠𝑠𝑠𝑠𝑠𝑠𝑠𝑠𝑠𝑠𝑠𝑠 𝑑𝑑𝑑𝑑 𝑙𝑙𝑙𝑙 𝑐𝑐ℎ𝑖𝑖𝑖𝑖𝑖𝑖𝑖𝑖𝑖𝑖𝑖𝑖 [𝑚𝑚]
Remplazando valores:
𝐷𝐷𝐻𝐻 = 0.9205 ∗
(0.014 ∗ 13.72412 ∗ 60)
= 4 𝑚𝑚𝑚𝑚𝑚𝑚20
2 ∗ 9.81 ∗ 1.8552
e) Cálculo del tiro requerido
Se tiene que en el ducto de humos la perdida es: ∆𝑃𝑃𝑑𝑑𝑑𝑑𝑑𝑑𝑑𝑑𝑑𝑑 ℎ𝑢𝑢𝑢𝑢𝑢𝑢𝑢𝑢 = 4 𝑚𝑚𝑚𝑚𝑚𝑚20
Perdida de presiones en los distintos componentes:
∆𝑃𝑃𝑐𝑐𝑐𝑐𝑐𝑐𝑐𝑐 : 744𝑃𝑃𝑃𝑃 = 75,865 𝑚𝑚𝑚𝑚𝑚𝑚20
∆𝑃𝑃𝑒𝑒𝑒𝑒𝑒𝑒𝑒𝑒𝑜𝑜 : 377 𝑃𝑃𝑃𝑃 = 38,137 𝑚𝑚𝑚𝑚𝑚𝑚20
∆𝑃𝑃𝑐𝑐𝑐𝑐𝑐𝑐𝑐𝑐𝑐𝑐,𝑎𝑎𝑎𝑎𝑎𝑎𝑎𝑎 : 178 𝑃𝑃𝑃𝑃 = 18,15 𝑚𝑚𝑚𝑚𝑚𝑚20
∆𝑃𝑃ℎ𝑜𝑜𝑜𝑜𝑜𝑜𝑜𝑜 : 50 𝑃𝑃𝑃𝑃 = 5,098 𝑚𝑚𝑚𝑚𝑚𝑚20
𝑇𝑇𝑇𝑇𝑇𝑇𝑇𝑇𝑟𝑟𝑟𝑟𝑟𝑟𝑟𝑟𝑟𝑟𝑟𝑟𝑟𝑟𝑟𝑟𝑟𝑟 = ∆𝑃𝑃𝑐𝑐𝑐𝑐𝑐𝑐𝑐𝑐 + ∆𝑃𝑃𝑒𝑒𝑒𝑒𝑒𝑒𝑒𝑒𝑒𝑒 + ∆𝑃𝑃𝑐𝑐𝑐𝑐𝑐𝑐𝑐𝑐𝑐𝑐,𝑎𝑎𝑎𝑎𝑎𝑎𝑎𝑎 + ∆𝑃𝑃ℎ𝑜𝑜𝑜𝑜𝑜𝑜𝑜𝑜 + ∆𝑃𝑃𝑑𝑑𝑑𝑑𝑑𝑑𝑑𝑑𝑑𝑑 ℎ𝑢𝑢𝑢𝑢𝑢𝑢𝑢𝑢 − 𝐷𝐷𝐷𝐷
𝐷𝐷𝑜𝑜𝑛𝑛𝑛𝑛𝑛𝑛:
𝑇𝑇𝑇𝑇𝑇𝑇𝑇𝑇𝑟𝑟𝑟𝑟𝑟𝑟𝑟𝑟𝑟𝑟𝑟𝑟𝑟𝑟𝑟𝑟𝑟𝑟 : 𝐷𝐷𝐷𝐷𝐷𝐷𝐷𝐷𝐷𝐷𝐷𝐷𝐷𝐷𝐷𝐷𝐷𝐷𝐷𝐷 𝑑𝑑𝑑𝑑 𝑝𝑝𝑝𝑝𝑝𝑝𝑝𝑝𝑝𝑝𝑜𝑜𝑛𝑛𝑛𝑛𝑛𝑛 𝑑𝑑𝑑𝑑𝑑𝑑𝑑𝑑𝑑𝑑𝑑𝑑 𝑑𝑑𝑑𝑑 𝑙𝑙𝑙𝑙 𝑐𝑐ℎ𝑖𝑖𝑖𝑖𝑖𝑖𝑖𝑖𝑖𝑖𝑖𝑖[𝑚𝑚𝑚𝑚𝑚𝑚20]
∆𝑃𝑃𝑐𝑐𝑐𝑐𝑐𝑐𝑐𝑐 : ∆𝑃𝑃 𝑒𝑒𝑒𝑒 𝑙𝑙𝑙𝑙𝑙𝑙 𝑡𝑡𝑡𝑡𝑡𝑡𝑡𝑡𝑡𝑡 𝑑𝑑𝑑𝑑𝑑𝑑 𝑐𝑐𝑐𝑐𝑐𝑐𝑐𝑐𝑐𝑐𝑐𝑐𝑐𝑐 [𝑚𝑚𝑚𝑚𝑚𝑚20]
∆𝑃𝑃𝑒𝑒𝑒𝑒𝑒𝑒𝑒𝑒𝑒𝑒 : ∆𝑃𝑃 𝑒𝑒𝑒𝑒 𝑙𝑙𝑙𝑙𝑙𝑙 𝑡𝑡𝑡𝑡𝑡𝑡𝑡𝑡𝑡𝑡 𝑑𝑑𝑒𝑒𝑙𝑙 𝑒𝑒𝑒𝑒𝑒𝑒𝑒𝑒𝑒𝑒𝑒𝑒𝑒𝑒𝑒𝑒𝑒𝑒𝑒𝑒𝑒𝑒𝑒𝑒 [𝑚𝑚𝑚𝑚𝑚𝑚20]
∆𝑃𝑃𝑐𝑐𝑐𝑐𝑐𝑐𝑐𝑐𝑐𝑐,𝑎𝑎𝑎𝑎𝑎𝑎𝑎𝑎 : ∆𝑃𝑃 𝑒𝑒𝑒𝑒 𝑒𝑒𝑒𝑒 𝑐𝑐𝑐𝑐𝑐𝑐𝑐𝑐𝑐𝑐𝑐𝑐𝑐𝑐𝑐𝑐𝑐𝑐𝑐𝑐 𝑑𝑑𝑑𝑑 𝑎𝑎𝑎𝑎𝑎𝑎𝑎𝑎 [𝑚𝑚𝑚𝑚𝑚𝑚20]
∆𝑃𝑃ℎ𝑜𝑜𝑜𝑜𝑜𝑜𝑜𝑜 : ∆𝑃𝑃 𝑒𝑒𝑒𝑒 𝑙𝑙𝑙𝑙 𝑐𝑐𝑐𝑐𝑐𝑐𝑐𝑐𝑐𝑐𝑐𝑐 𝑑𝑑𝑑𝑑 ℎ𝑜𝑜𝑜𝑜𝑜𝑜𝑜𝑜 [𝑚𝑚𝑚𝑚𝑚𝑚20]
15
∆𝑃𝑃𝑑𝑑𝑑𝑑𝑑𝑑𝑑𝑑𝑑𝑑 ℎ𝑢𝑢𝑢𝑢𝑢𝑢𝑢𝑢 : ∆𝑃𝑃 𝑒𝑒𝑒𝑒 𝑙𝑙𝑙𝑙𝑙𝑙 𝑑𝑑𝑑𝑑𝑑𝑑𝑑𝑑𝑑𝑑𝑑𝑑 𝑑𝑑𝑑𝑑 ℎ𝑢𝑢𝑢𝑢𝑢𝑢𝑢𝑢[𝑚𝑚𝑚𝑚𝑚𝑚20]
𝐷𝐷𝐷𝐷: 𝑇𝑇𝑇𝑇𝑇𝑇𝑇𝑇 𝑑𝑑𝑑𝑑 𝑙𝑙𝑙𝑙 𝑐𝑐ℎ𝑖𝑖𝑖𝑖𝑖𝑖𝑖𝑖𝑖𝑖𝑖𝑖 𝑝𝑝𝑝𝑝𝑝𝑝𝑝𝑝 60 𝑚𝑚𝑚𝑚𝑚𝑚𝑚𝑚𝑚𝑚𝑚𝑚 [𝑚𝑚𝑚𝑚𝑚𝑚20]
Entonces el Tiro requerido es:
𝑇𝑇𝑇𝑇𝑇𝑇𝑇𝑇𝑟𝑟𝑟𝑟𝑟𝑟𝑟𝑟𝑟𝑟𝑟𝑟𝑟𝑟𝑟𝑟𝑟𝑟 = 128.297 [𝑚𝑚𝑚𝑚𝑚𝑚20]
Se asume un factor de servicio de 1,2 para suplir otras perdidas
𝑇𝑇𝑇𝑇𝑇𝑇𝑇𝑇𝑟𝑟𝑒𝑒𝑞𝑞𝑞𝑞𝑞𝑞𝑞𝑞𝑞𝑞𝑞𝑞𝑞𝑞 = 128.297 [𝑚𝑚𝑚𝑚𝑚𝑚20] ∗ 1,2 = 153,9564 𝑚𝑚𝑚𝑚𝑚𝑚20 = 1,51 𝑘𝑘𝑘𝑘𝑘𝑘
f)
Selección de la capacidad del ventilador para el tiro
Tenemos en la central de ciclo combinado:
𝑚𝑚̇𝑔𝑔𝑔𝑔𝑔𝑔𝑔𝑔𝑔𝑔 = 136.6
𝑘𝑘𝑘𝑘�
𝑠𝑠
Se debe tener en cuenta que existen perdidas de los gases a combustionar por lo que el
ventilador debe tener un factor de perdidas en el hogar, factor de selección y perdidas de
flujo en el calentador:
𝑚𝑚̇𝑔𝑔𝑔𝑔𝑔𝑔𝑔𝑔𝑔𝑔 = 136.6 ∗ 1,2 ∗ 1,1 ∗ 1,02 = 𝟏𝟏𝟏𝟏𝟏𝟏, 𝟗𝟗𝟗𝟗
𝒌𝒌𝒌𝒌�
𝒔𝒔
𝑘𝑘𝑘𝑘
𝑚𝑚̇𝑔𝑔𝑔𝑔𝑔𝑔𝑔𝑔𝑔𝑔 183,91824 �𝑠𝑠
𝑚𝑚3
=
= 199,80254
= 𝟒𝟒𝟒𝟒𝟒𝟒𝟒𝟒𝟒𝟒𝟒𝟒 𝑪𝑪𝑪𝑪𝑪𝑪
𝑄𝑄 =
𝑘𝑘𝑘𝑘
𝜌𝜌𝑔𝑔𝑔𝑔𝑔𝑔𝑔𝑔𝑔𝑔
𝑠𝑠
0.9205 3
𝑚𝑚
𝑃𝑃𝑃𝑃𝑃𝑃𝑃𝑃𝑃𝑃𝑃𝑃𝑃𝑃𝑃𝑃 𝑣𝑣𝑣𝑣𝑣𝑣𝑣𝑣𝑣𝑣𝑣𝑣𝑣𝑣𝑣𝑣𝑣𝑣𝑣𝑣 = 1,1 ∗ 199,80254 ∗ 1,51 = 331,8720 𝑘𝑘𝑘𝑘 = 445,047 𝐻𝐻𝐻𝐻
𝑃𝑃𝑃𝑃𝑃𝑃𝑃𝑃𝑃𝑃𝑃𝑃𝑃𝑃𝑃𝑃 𝑚𝑚𝑚𝑚𝑚𝑚𝑚𝑚𝑚𝑚 𝑒𝑒𝑒𝑒𝑒𝑒𝑒𝑒𝑒𝑒𝑒𝑒𝑒𝑒𝑒𝑒𝑒𝑒 =
𝑃𝑃𝑃𝑃𝑃𝑃𝑃𝑃𝑃𝑃𝑃𝑃𝑃𝑃𝑃𝑃 𝑚𝑚𝑚𝑚𝑚𝑚𝑚𝑚𝑚𝑚 𝑒𝑒𝑒𝑒𝑒𝑒𝑒𝑒𝑒𝑒𝑒𝑒𝑒𝑒𝑒𝑒𝑒𝑒 =
𝑃𝑃𝑃𝑃𝑃𝑃𝑃𝑃𝑃𝑃𝑃𝑃𝑃𝑃𝑃𝑃 𝑣𝑣𝑣𝑣𝑣𝑣𝑣𝑣𝑖𝑖𝑖𝑖𝑖𝑖𝑖𝑖𝑖𝑖𝑖𝑖
𝑛𝑛𝑣𝑣𝑣𝑣𝑛𝑛𝑡𝑡𝑡𝑡𝑙𝑙𝑙𝑙𝑙𝑙𝑙𝑙𝑙𝑙 ∗ 𝑛𝑛𝑚𝑚𝑚𝑚𝑚𝑚𝑚𝑚𝑚𝑚
445,047
= 𝟔𝟔𝟔𝟔𝟔𝟔, 𝟑𝟑𝟑𝟑 𝑯𝑯𝑯𝑯
0,75 ∗ 0,9
16
Calculo y Dimensionamiento de la Planta de Tratamiento de Agua
Cálculo del Ablandador
Calculo del Volumen de la Resina
Primero debemos conocer los parámetros de diseño los cuales son: presión de
operación de la caldera, tiempo de operación y el flujo de agua, estos valores los sacamos
de los cálculos del ciclo de vapor del trabajo realizado anterior a este. A continuación, se
muestran los parámetros de diseño.
Parametros de diseño
Presión de operación del caldero
60 bar (870.2 psi)
Tiempo de operación
8 horas
32.23 kg/s (527 GPM )
Flujo de agua
Ahora según tablas definimos los limites de concentración de materiales en el agua
para caldera que trabaja a 60 bar.
Entonces de la tabla anterior se observa que para una presión de 60 𝑏𝑏𝑏𝑏𝑏𝑏 ≈ 60 𝑘𝑘𝑘𝑘/𝑐𝑐𝑚𝑚2
la dureza límite del agua debe ser de 1500 𝑝𝑝𝑝𝑝𝑝𝑝 ≈ 87.72 𝑔𝑔𝑔𝑔𝑔𝑔𝑔𝑔𝑔𝑔𝑔𝑔/𝑔𝑔𝑔𝑔𝑔𝑔, con esto podemos
calcular el volumen de resina con la siguiente formula.
Donde:
𝑉𝑉𝑉𝑉 =
𝐷𝐷 ∙ 𝑇𝑇 ∙ 𝐶𝐶
30000
17
𝑉𝑉𝑉𝑉: Volumen de resina (𝑝𝑝𝑝𝑝𝑒𝑒 3 )
𝑇𝑇: Tiempo de trabajo del ablandador (ℎ𝑜𝑜𝑜𝑜𝑜𝑜𝑜𝑜/𝑑𝑑𝑑𝑑𝑑𝑑)
𝐷𝐷: Dureza total del agua (𝑔𝑔𝑔𝑔𝑔𝑔𝑔𝑔𝑔𝑔𝑔𝑔/𝑔𝑔𝑔𝑔𝑔𝑔)
𝐶𝐶: Flujo de agua por ablandador (𝑔𝑔𝑔𝑔𝑔𝑔/ℎ𝑜𝑜𝑜𝑜𝑜𝑜)
Capacidad de ablandamiento de la resina: 30 000 𝑔𝑔𝑔𝑔/𝑝𝑝𝑝𝑝𝑒𝑒 3
Reemplazando:
𝑉𝑉𝑉𝑉 =
87.72 × 8 × 527 × 60
= 𝟕𝟕𝟕𝟕𝟕𝟕 𝒑𝒑𝒊𝒊𝒊𝒊𝒔𝒔𝟑𝟑
30000
Volumen de agua entre cada regeneración
Capacidad de ablandamiento:
740 𝑝𝑝𝑝𝑝𝑝𝑝𝑠𝑠 3 × 30000 𝑔𝑔𝑔𝑔/𝑝𝑝𝑝𝑝𝑒𝑒 3 = 22 200 000 𝑔𝑔𝑔𝑔
Para una dureza de 1500 ppm (87.72 gr/gal):
𝑉𝑉𝑎𝑎𝑎𝑎𝑎𝑎𝑎𝑎 =
22200000
= 𝟐𝟐𝟐𝟐𝟐𝟐 𝟎𝟎𝟎𝟎𝟎𝟎 𝒈𝒈𝒈𝒈𝒈𝒈
87.72
Tiempo de regeneración y enjuague
𝑉𝑉𝑉𝑉𝑉𝑉𝑉𝑉𝑉𝑉𝑉𝑉𝑉𝑉 𝑑𝑑𝑑𝑑 𝑟𝑟𝑟𝑟𝑟𝑟𝑟𝑟𝑟𝑟𝑟𝑟 = 740 𝑝𝑝𝑝𝑝𝑝𝑝𝑠𝑠 3
1 𝑝𝑝𝑝𝑝𝑒𝑒 3 𝑑𝑑𝑑𝑑 𝑟𝑟𝑟𝑟𝑟𝑟𝑟𝑟𝑟𝑟𝑟𝑟 = 7 𝑘𝑘𝑘𝑘 𝑑𝑑𝑑𝑑 𝑠𝑠𝑠𝑠𝑠𝑠
𝐻𝐻𝐻𝐻𝐻𝐻𝐻𝐻𝐻𝐻𝐻𝐻𝐻𝐻 𝑑𝑑𝑑𝑑 𝑙𝑙𝑙𝑙 𝑠𝑠𝑠𝑠𝑠𝑠 = 2 %
𝑆𝑆𝑆𝑆𝑆𝑆𝑆𝑆𝑆𝑆𝑆𝑆ó𝑛𝑛 𝑑𝑑𝑑𝑑 𝑁𝑁𝑁𝑁𝑁𝑁𝑁𝑁 = 23 %
Entonces:
𝑀𝑀𝑠𝑠𝑠𝑠𝑠𝑠 =
740 × 7
= 𝟓𝟓𝟓𝟓𝟓𝟓𝟓𝟓 𝒌𝒌𝒌𝒌 𝒅𝒅𝒅𝒅 𝒔𝒔𝒔𝒔𝒔𝒔
1 − 0.02
Ahora calculamos la cantidad de agua de la relación:
23 𝑔𝑔𝑔𝑔𝑔𝑔𝑔𝑔𝑔𝑔𝑔𝑔 𝑑𝑑𝑑𝑑 𝑠𝑠𝑠𝑠𝑠𝑠
5286 𝑘𝑘𝑘𝑘 𝑑𝑑𝑑𝑑 𝑠𝑠𝑠𝑠𝑠𝑠
→
→
77 𝑔𝑔𝑔𝑔 𝑑𝑑𝑑𝑑 𝑎𝑎𝑎𝑎𝑎𝑎𝑎𝑎
𝑋𝑋 𝑘𝑘𝑘𝑘 𝑑𝑑𝑑𝑑 𝑎𝑎𝑎𝑎𝑎𝑎𝑎𝑎
𝑋𝑋 = 17 697 𝑘𝑘𝑘𝑘 = 17 697 𝑙𝑙𝑙𝑙𝑙𝑙𝑙𝑙𝑙𝑙𝑙𝑙
𝑋𝑋 = 𝟒𝟒 𝟔𝟔𝟔𝟔𝟔𝟔 𝒈𝒈𝒈𝒈𝒈𝒈 𝒅𝒅𝒅𝒅 𝒂𝒂𝒂𝒂𝒂𝒂𝒂𝒂
18
Gasto de agua para enjuague de las resinas
Se conoce que para el lavado de 1 𝑝𝑝𝑝𝑝𝑒𝑒 3 de resina se requiere 150 𝑔𝑔𝑔𝑔𝑔𝑔
Entonces:
150
𝑔𝑔𝑔𝑔𝑔𝑔
× 740 𝑝𝑝𝑝𝑝𝑒𝑒 3 = 𝟏𝟏𝟏𝟏𝟏𝟏 𝟎𝟎𝟎𝟎𝟎𝟎 𝒈𝒈𝒈𝒈𝒈𝒈
𝑝𝑝𝑝𝑝𝑒𝑒 3
Entonces el gasto total será:
4675 𝑔𝑔𝑔𝑔𝑔𝑔 + 111000 𝑔𝑔𝑔𝑔𝑔𝑔 = 115 675
Por el lecho pasan (de resina):
𝑔𝑔𝑔𝑔𝑔𝑔
ℎ
115675 𝑔𝑔𝑔𝑔𝑔𝑔/ℎ𝑟𝑟
= 1928 𝑔𝑔𝑔𝑔𝑔𝑔/𝑚𝑚𝑚𝑚𝑚𝑚
60 𝑚𝑚𝑚𝑚𝑚𝑚/ℎ𝑟𝑟
El tiempo de regeneración y enjuague será de 60 minutos.
Dimensiones del ablandador
Altura de la resina (HR)
𝑉𝑉𝑉𝑉 = 𝜋𝜋 ∙ 𝑅𝑅2 ∙ 𝐻𝐻𝐻𝐻
Teniendo en cuenta que:
𝐻𝐻𝐻𝐻
= 𝑘𝑘
𝑅𝑅
Entonces:
𝑉𝑉𝑉𝑉 =
3 𝑘𝑘 2 ∙ 𝑉𝑉𝑉𝑉
𝜋𝜋 ∙ 𝐻𝐻𝑅𝑅𝟑𝟑
�
→
𝐻𝐻𝐻𝐻
=
𝒌𝒌𝟐𝟐
𝜋𝜋
En nuestro caso tomamos 𝑘𝑘 = 2
3
Altura de la grava (Hs)
22 × 740
= 9.8 𝑝𝑝𝑝𝑝𝑝𝑝
𝜋𝜋
𝐻𝐻𝐻𝐻 = �
𝑔𝑔𝑔𝑔𝑔𝑔𝑔𝑔𝑔𝑔 𝑓𝑓𝑓𝑓𝑓𝑓𝑓𝑓 = 3 𝑝𝑝𝑝𝑝𝑝𝑝𝑝𝑝 𝑑𝑑𝑑𝑑 𝑎𝑎𝑎𝑎𝑎𝑎𝑎𝑎𝑎𝑎𝑎𝑎
𝑔𝑔𝑔𝑔𝑔𝑔𝑔𝑔𝑔𝑔 𝑚𝑚𝑚𝑚𝑚𝑚𝑚𝑚𝑚𝑚𝑚𝑚𝑚𝑚 = 3𝑝𝑝𝑝𝑝𝑝𝑝𝑝𝑝 𝑑𝑑𝑑𝑑 𝑎𝑎𝑎𝑎𝑎𝑎𝑎𝑎𝑎𝑎𝑎𝑎
𝑔𝑔𝑔𝑔𝑔𝑔𝑔𝑔𝑔𝑔 𝑔𝑔𝑔𝑔𝑔𝑔𝑔𝑔𝑔𝑔𝑔𝑔 = 3 𝑝𝑝𝑝𝑝𝑝𝑝𝑝𝑝 𝑑𝑑𝑒𝑒 𝑎𝑎𝑎𝑎𝑎𝑎𝑎𝑎𝑎𝑎𝑎𝑎
𝑎𝑎𝑎𝑎𝑎𝑎𝑎𝑎𝑎𝑎 𝑓𝑓𝑓𝑓𝑓𝑓𝑓𝑓 = 3 𝑝𝑝𝑝𝑝𝑝𝑝𝑝𝑝 𝑑𝑑𝑑𝑑 𝑎𝑎𝑎𝑎𝑎𝑎𝑎𝑎𝑎𝑎𝑎𝑎
19
Por lo tanto, la altura total de la grava será:
𝐻𝐻𝐻𝐻 = 4 × 3 𝑝𝑝𝑝𝑝𝑝𝑝𝑝𝑝 = 12 𝑝𝑝𝑝𝑝𝑝𝑝𝑝𝑝 = 1 𝑝𝑝𝑝𝑝𝑝𝑝
Espacio muerto en la parte superior e inferior (Hms y Hmi)
Entonces:
𝐻𝐻𝐻𝐻𝐻𝐻 = 1.5 𝐻𝐻𝐻𝐻 = 1.5 𝑝𝑝𝑝𝑝𝑝𝑝
𝐻𝐻𝐻𝐻𝐻𝐻 = 0.5 𝐻𝐻𝑠𝑠 = 0.5 𝑝𝑝𝑝𝑝𝑝𝑝
Altura de los casquetes esféricos superior e inferior (Hcs y Hci)
𝐻𝐻𝐻𝐻𝐻𝐻 =
1
1
∙ 𝑅𝑅 = × 4.9 = 1.63 𝑝𝑝𝑝𝑝𝑝𝑝
3
3
𝐻𝐻𝐻𝐻𝐻𝐻 = 0.75 𝑝𝑝𝑝𝑝𝑝𝑝
Finalmente sumando todas las alturas calculamos la altura total del ablandador.
𝐻𝐻 = 𝐻𝐻𝐻𝐻 + 𝐻𝐻𝐻𝐻 + 𝐻𝐻𝐻𝐻𝐻𝐻 + 𝐻𝐻𝐻𝐻𝐻𝐻 + 𝐻𝐻𝐻𝐻𝐻𝐻 + 𝐻𝐻𝐻𝐻𝐻𝐻
𝐻𝐻 = 9.8 + 1 + 1.5 + 0.5 + 1.63 + 0.75
También:
𝑯𝑯 = 15.18 𝑝𝑝𝑝𝑝𝑝𝑝 = 𝟒𝟒. 𝟔𝟔𝟔𝟔 𝒎𝒎
𝑫𝑫 = 2𝑅𝑅 = 2 × 4.9 = 9.8 𝑝𝑝𝑝𝑝𝑝𝑝 = 𝟑𝟑 𝒎𝒎
20
Calculo y Dimensionamiento del Sistema de Vapor
De acuerdo con el ciclo de vapor se tiene el siguiente esquema que representa cada
uno de los estados por los que pasa el agua.
5
4
gases de combustión
HRSG
d
a
G
b
c
agua
m
n
agua de refrigeración
Como ya se tienen las propiedades del agua en cada uno de los estados de este ciclo,
a continuación, se presentan tales propiedades los cuales servirán para el cálculo y
dimensionamiento de las tuberías correspondientes.
Tramo a
𝑃𝑃𝑎𝑎 = 60 𝑏𝑏𝑏𝑏𝑏𝑏 (870.2 𝑝𝑝𝑝𝑝𝑝𝑝 )
𝑇𝑇𝑎𝑎 = 520 °𝐶𝐶 (970 °𝐹𝐹 )
𝑣𝑣𝑎𝑎 = 0.05843
𝑚𝑚3
𝑘𝑘𝑘𝑘
Tramo b
𝑃𝑃𝑏𝑏 = 0.503 𝑏𝑏𝑏𝑏𝑏𝑏 (7.3 𝑝𝑝𝑝𝑝𝑝𝑝 )
𝑇𝑇𝑏𝑏 = 81.49 °𝐶𝐶 (180 °𝐹𝐹 )
𝑥𝑥𝑏𝑏 = 0.955 → 𝑣𝑣𝑏𝑏 = 3.077
𝑚𝑚3
𝑘𝑘𝑘𝑘
21
Tramo c
𝑃𝑃𝑐𝑐 = 0.503 𝑏𝑏𝑏𝑏𝑏𝑏 (7.3 𝑝𝑝𝑝𝑝𝑝𝑝 )
𝑇𝑇𝑐𝑐 = 81.49 °𝐶𝐶 (180 °𝐹𝐹 )
𝑥𝑥𝑐𝑐 = 0 → 𝑣𝑣𝑐𝑐 = 0.00103
𝑚𝑚3
𝑘𝑘𝑘𝑘
Tramo d
𝑃𝑃𝑑𝑑 = 60 𝑏𝑏𝑏𝑏𝑏𝑏 (870.2 𝑝𝑝𝑝𝑝𝑝𝑝 )
𝑇𝑇𝑑𝑑 = 82.2 °𝐶𝐶 (180 °𝐹𝐹 )
𝑣𝑣𝑑𝑑 = 0.001028
𝑚𝑚3
𝑘𝑘𝑘𝑘
Datos Adicionales
𝑚𝑚̇𝑣𝑣 = 32.23
𝑘𝑘𝑘𝑘
𝑠𝑠
Línea de Tubería – Tramo a
Cálculo del diámetro interior
𝑃𝑃𝑎𝑎 = 60 𝑏𝑏𝑏𝑏𝑏𝑏 (870.2 𝑝𝑝𝑝𝑝𝑝𝑝 )
𝑇𝑇𝑎𝑎 = 520 °𝐶𝐶 (970 °𝐹𝐹 )
𝑣𝑣𝑎𝑎 = 0.05843
𝑚𝑚3
𝑘𝑘𝑘𝑘
Dado que es un fluido de alta presión sobrecalentado utilizamos la velocidad
recomendada: 𝑉𝑉𝑎𝑎 = 15 000
De:
Reemplazando:
𝑝𝑝𝑝𝑝𝑝𝑝𝑝𝑝
𝑚𝑚𝑚𝑚𝑚𝑚
𝑚𝑚
= 76.2 .
𝑠𝑠
𝐺𝐺𝑣𝑣 =
𝐴𝐴 ∙ 𝑉𝑉
𝐺𝐺𝑣𝑣 ∙ 𝑣𝑣
→ 𝐴𝐴 =
𝑣𝑣
𝑉𝑉
22
𝐴𝐴 =
32.23 × 0.05843
= 0.0247 𝑚𝑚2
76.2
Calculando el diámetro interior:
𝜋𝜋 ∙ 𝐷𝐷𝑖𝑖2
4 ∙ 𝐴𝐴
4 × 0.0247
𝐴𝐴 =
→ 𝐷𝐷𝑖𝑖 = �
=�
× 1000 = 177.34 𝑚𝑚𝑚𝑚 = 6.98 𝑝𝑝𝑝𝑝𝑝𝑝𝑝𝑝
𝜋𝜋
𝜋𝜋
4
Selección del material
𝐷𝐷𝑖𝑖 = 𝟕𝟕 𝒑𝒑𝒑𝒑𝒑𝒑𝒑𝒑.
Para la selección del material consideramos que este debe soportar las condiciones
del vapor que va a transportar, que son 60 bar (870,2 psi) y 520 °C (970 °F), además de tener
un esfuerzo permisible adecuado a tales condiciones. Mencionado lo anterior se elige el Acero
de aleación ASTM A335 P9 por su buena resistencia a altas temperaturas.
Cálculo del Numero de Schedule (SN)
Se sabe que:
𝑆𝑆𝑆𝑆 =
Donde:
1000 ∙ 𝑃𝑃𝑖𝑖
𝑆𝑆
𝑃𝑃𝑖𝑖 : Presión interna de servicio en psi o kg/cm2
𝑆𝑆: Esfuerzo permisible a la temperatura de diseño en psi o kg/cm2
De acuerdo con la norma ASME B31.1-2020 el esfuerzo permisible del acero aleado
A335 P9 a la temperatura de 970 °F, que interpolando nos da 9300 PSI.
Entonces:
𝑆𝑆𝑆𝑆 =
1000 × 870.2
= 93 (𝑛𝑛𝑛𝑛 𝑒𝑒𝑒𝑒 𝑐𝑐𝑐𝑐𝑐𝑐𝑐𝑐𝑐𝑐𝑐𝑐𝑐𝑐𝑐𝑐𝑐𝑐)
9300
𝑆𝑆𝑆𝑆 = 𝟏𝟏𝟏𝟏𝟏𝟏
Calculo de las dimensiones nominales
Utilizando las tablas de la norma ASME B36.10M-2015 buscamos las dimensiones de
un tubo de acero que cumpla con los valores calculados anteriormente.
23
Con NPS 8 y SN 100:
𝑂𝑂𝑂𝑂 = 8.625 𝑝𝑝𝑝𝑝𝑝𝑝𝑝𝑝.
𝑊𝑊𝑊𝑊 = 0.594 𝑝𝑝𝑝𝑝𝑝𝑝𝑝𝑝.
𝐷𝐷𝑖𝑖 = 𝑂𝑂𝑂𝑂 − 2 ∙ 𝑊𝑊𝑊𝑊 = 8.625 − 2 × 0.594 = 7.437 > 7 𝑝𝑝𝑝𝑝𝑝𝑝𝑝𝑝.
De acuerdo con la norma ASME B31.1-2020 el espesor mínimo de la pared del tubo
se calcula con la siguiente ecuación.
𝑡𝑡𝑚𝑚 =
Donde:
𝑃𝑃𝑖𝑖 ∙ 𝐷𝐷𝑜𝑜
+ 𝐴𝐴
2 ∙ (𝑆𝑆 ∙ 𝐸𝐸 ∙ 𝑊𝑊 + 𝑃𝑃𝑖𝑖 ∙ 𝑦𝑦)
𝑃𝑃𝑖𝑖 : Presión interna de servicio en psi
𝐷𝐷𝑜𝑜 : Diámetro exterior de la tubería en pulg
𝑆𝑆: Esfuerzo permisible a la temperatura de diseño en psi
E: eficiencia de la unión soldada (E=1 para nuestro caso)
W: factor de reducción de la resistencia de la soldadura (W=1 para nuestro caso)
y: coeficiente por efectos de temperatura y material del tubo según tabla ASME
B31.1 (y=0.6 en nuestro caso).
A: espesor adicional (A=0 para nuestro caso)
Reemplazando:
𝑡𝑡𝑚𝑚 =
870.2 × 8.625
= 0.382 𝑝𝑝𝑝𝑝𝑝𝑝𝑝𝑝. < 𝑊𝑊𝑡𝑡 = 0.594 𝑝𝑝𝑝𝑝𝑝𝑝𝑝𝑝.
2 × 9300 + 2 × 870.2 × 0.6
Entonces las dimensiones seleccionadas cumplen con los requerimientos. Por lo
tanto, el tubo tendrá la siguiente nominación.
Tubería tramo - a: NPS 8 pulg SN 100 ASTM A335 P9
Línea de Tubería - Tramo b
Cálculo del diámetro interior
𝑃𝑃𝑏𝑏 = 0.503 𝑏𝑏𝑏𝑏𝑏𝑏 (7.3 𝑝𝑝𝑝𝑝𝑝𝑝 )
𝑇𝑇𝑏𝑏 = 81.49 °𝐶𝐶 (180 °𝐹𝐹 )
24
𝑣𝑣𝑏𝑏 = 3.077
𝑚𝑚3
𝑘𝑘𝑘𝑘
Dado que el fluido es un vapor a baja presión y la tubería estará conectado a la
salida de la turbina utilizamos la velocidad recomendada 1 𝑉𝑉𝑏𝑏 = 200
De:
𝐴𝐴 =
Entonces:
𝑝𝑝𝑝𝑝𝑝𝑝𝑝𝑝
𝑠𝑠𝑠𝑠𝑠𝑠
= 60.96
𝑚𝑚
𝑠𝑠
𝐺𝐺𝑣𝑣 ∙ 𝑣𝑣 32.23 × 3.077
=
= 1.63 𝑚𝑚2
60.96
𝑉𝑉
4 ∙ 𝐴𝐴
4 × 1.63
=�
× 1000 = 1440.62 𝑚𝑚𝑚𝑚 = 56.7 𝑝𝑝𝑝𝑝𝑝𝑝𝑝𝑝
𝜋𝜋
𝜋𝜋
𝐷𝐷𝑖𝑖 = �
Selección del material
Para la selección del material consideramos que este debe soportar las condiciones
del vapor que va a transportar, el fluido es vapor de agua y estará a baja presión y temperatura
moderada, se puede escoger por un acero común como es el Acero ASTM A53 Gr B por su
uso comercial en transporte de vapor de agua.
Cálculo del número de Schedule (SN)
Se sabe que:
𝑆𝑆𝑆𝑆 =
1000 ∙ 𝑃𝑃𝑖𝑖
𝑆𝑆
De acuerdo con la norma ASME B31.1-2020 el esfuerzo permisible del acero ASTM
A53 Gr B a la temperatura de 180 °F nos da 17100 PSI.
Entonces:
𝑆𝑆𝑆𝑆 =
1000 × 7.3
= 0.42 (𝑝𝑝𝑝𝑝𝑝𝑝𝑝𝑝𝑝𝑝 𝑠𝑠𝑠𝑠𝑠𝑠 𝑑𝑑𝑑𝑑 𝑐𝑐𝑐𝑐𝑐𝑐𝑐𝑐𝑐𝑐𝑐𝑐𝑐𝑐𝑐𝑐𝑐𝑐 𝑐𝑐𝑐𝑐𝑐𝑐𝑐𝑐𝑐𝑐𝑐𝑐)
17100
Por el tamaño del diámetro del tubo no se tienen números de cedula nominales
Cálculo de las dimensiones nominales
1
De acuerdo con tablas de un trabajo de proyecto final mencionado en la bibliografía
25
Utilizando las tablas de la norma ASME B36.10M-2015 buscamos las dimensiones de
un tubo de acero que cumpla con los valores calculados anteriormente.
Con NPS 60 y Wt=0.5 pulg
𝑂𝑂𝑂𝑂 = 60 𝑝𝑝𝑝𝑝𝑝𝑝𝑝𝑝.
𝑊𝑊𝑊𝑊 = 0.5 𝑝𝑝𝑝𝑝𝑝𝑝𝑝𝑝.
𝐷𝐷𝑖𝑖 = 𝑂𝑂𝑂𝑂 − 2 ∙ 𝑊𝑊𝑊𝑊 = 60 − 2 × 0.5 = 59 < 56.7 𝑝𝑝𝑝𝑝𝑝𝑝𝑝𝑝.
De acuerdo con la norma ASME B31.1-2020 el espesor mínimo de la pared del tubo
se calcula con la siguiente ecuación.
𝑡𝑡𝑚𝑚 =
𝑃𝑃𝑖𝑖 ∙ 𝐷𝐷𝑜𝑜
+ 𝐴𝐴
2 ∙ (𝑆𝑆 ∙ 𝐸𝐸 ∙ 𝑊𝑊 + 𝑃𝑃𝑖𝑖 ∙ 𝑦𝑦)
Utilizando los mismos valores del cálculo anterior con la única diferencia que 𝑦𝑦 = 0.4,
entonces reemplazando en la formula.
Reemplazando:
𝑡𝑡𝑚𝑚 =
7.3 × 60
= 0.0128 𝑝𝑝𝑝𝑝𝑝𝑝𝑝𝑝 < 𝑊𝑊𝑡𝑡 = 0.5 𝑝𝑝𝑝𝑝𝑝𝑝𝑝𝑝
2 × 17100 + 2 × 7.3 × 0.4
Como se menciono anteriormente las dimensiones de esta tubería no son muy
comerciales por lo que no se tiene un valor para el numero de cedula, en conclusión, la
tubería se tiene que fabricar a medida de nuestros cálculos.
Tubería tramo - c: NPS 60 pulg Wt. 0.5 pulg ASTM A53 Gr B
Línea de Tubería – Tramo c
Cálculo del diámetro interior
𝑃𝑃𝑐𝑐 = 0.503 𝑏𝑏𝑏𝑏𝑏𝑏 (7.3 𝑝𝑝𝑝𝑝𝑝𝑝 )
𝑇𝑇𝑐𝑐 = 81.49 °𝐶𝐶 (180 °𝐹𝐹 )
𝑣𝑣𝑐𝑐 = 0.00103
𝑚𝑚3
𝑘𝑘𝑘𝑘
26
Dado a que el fluido es agua a baja presión para la línea de succión de la bomba
entonces la velocidad recomendada es de [200 – 500 fpm] por lo que para los cálculos
consideraremos 𝑉𝑉 = 500
De:
𝑝𝑝𝑝𝑝𝑝𝑝𝑝𝑝
𝑚𝑚𝑚𝑚𝑚𝑚
= 2.54
𝐴𝐴 =
Entonces:
𝑚𝑚
𝑠𝑠
𝐺𝐺𝑣𝑣 ∙ 𝑣𝑣 32.23 × 0.00103
=
= 0.013 𝑚𝑚2
2.54
𝑉𝑉
4 ∙ 𝐴𝐴
4 × 0.013
=�
× 1000 = 128.7 𝑚𝑚𝑚𝑚 = 𝟓𝟓. 𝟎𝟎𝟎𝟎 𝒑𝒑𝒑𝒑𝒑𝒑𝒑𝒑
𝜋𝜋
𝜋𝜋
𝐷𝐷𝑖𝑖 = �
Selección del Material
Dado que va a transportar agua líquida a baja presión y temperatura moderada,
tranquilamente se puede escoger por un acero común como es el Acero ASTM A106 Gr B
por su uso comercial en sistemas de tuberías de agua.
Cálculo del número de Schedule (SN)
Se sabe que:
𝑆𝑆𝑆𝑆 =
1000 ∙ 𝑃𝑃𝑖𝑖
𝑆𝑆
De acuerdo con la norma ASME B31.1-2020 el esfuerzo permisible del acero ASTM
A106 Gr B a la temperatura de 180 °F nos da 17100 PSI.
Entonces:
𝑆𝑆𝑆𝑆 =
1000 × 7.3
= 0.42 (𝑝𝑝𝑝𝑝𝑝𝑝𝑝𝑝𝑝𝑝 𝑠𝑠𝑠𝑠𝑠𝑠 𝑑𝑑𝑑𝑑 𝑐𝑐𝑐𝑐𝑐𝑐𝑐𝑐𝑐𝑐𝑐𝑐𝑐𝑐𝑐𝑐𝑐𝑐 𝑐𝑐𝑐𝑐𝑐𝑐𝑐𝑐𝑐𝑐𝑐𝑐)
17100
𝑆𝑆𝑆𝑆 = 𝟒𝟒𝟒𝟒 (𝑝𝑝𝑜𝑜𝑜𝑜 𝑠𝑠𝑠𝑠𝑠𝑠 𝑡𝑡𝑡𝑡𝑡𝑡𝑡𝑡ñ𝑜𝑜 𝑒𝑒𝑒𝑒𝑒𝑒𝑒𝑒𝑒𝑒𝑒𝑒𝑒𝑒𝑒𝑒𝑒𝑒)
Cálculo de las dimensiones nominales
Utilizando las tablas de la norma ASME B36.10M-2015 buscamos las dimensiones de
un tubo de acero que cumpla con los valores calculados anteriormente.
Con NPS 5 y SN 40
27
𝑂𝑂𝑂𝑂 = 5.563 𝑝𝑝𝑝𝑝𝑝𝑝𝑝𝑝.
𝑊𝑊𝑊𝑊 = 0.258 𝑝𝑝𝑝𝑝𝑝𝑝𝑝𝑝.
𝐷𝐷𝑖𝑖 = 𝑂𝑂𝑂𝑂 − 2 ∙ 𝑊𝑊𝑊𝑊 = 5.563 − 2 × 0.258 = 5.047 < 5.07 𝑝𝑝𝑝𝑝𝑝𝑝𝑝𝑝.
Con NPS 6 y SN 40
𝑂𝑂𝑂𝑂 = 6.625 𝑝𝑝𝑝𝑝𝑝𝑝𝑝𝑝.
𝑊𝑊𝑊𝑊 = 0.280 𝑝𝑝𝑝𝑝𝑝𝑝𝑝𝑝.
𝐷𝐷𝑖𝑖 = 𝑂𝑂𝑂𝑂 − 2 ∙ 𝑊𝑊𝑊𝑊 = 6.625 − 2 × 0.280 = 6.065 > 5.07 𝑝𝑝𝑝𝑝𝑝𝑝𝑝𝑝. (𝑐𝑐𝑐𝑐𝑐𝑐𝑐𝑐𝑐𝑐𝑐𝑐!)
De acuerdo con la norma ASME B31.1-2020 el espesor mínimo de la pared del tubo
se calcula con la siguiente ecuación.
𝑡𝑡𝑚𝑚 =
𝑃𝑃𝑖𝑖 ∙ 𝐷𝐷𝑜𝑜
+ 𝐴𝐴
2 ∙ (𝑆𝑆 ∙ 𝐸𝐸 ∙ 𝑊𝑊 + 𝑃𝑃𝑖𝑖 ∙ 𝑦𝑦)
Utilizando los mismos valores que los cálculos anteriores con la única diferencia que
𝑦𝑦 = 0.4, entonces reemplazando en la formula.
Reemplazando:
𝑡𝑡𝑚𝑚 =
7.3 × 6.625
= 0.0014 𝑝𝑝𝑝𝑝𝑝𝑝𝑝𝑝 < 𝑊𝑊𝑡𝑡 = 0.280 𝑝𝑝𝑝𝑝𝑝𝑝𝑝𝑝
2 × 17100 + 2 × 7.3 × 0.4
Entonces las dimensiones seleccionadas cumplen con los requerimientos. Por lo
tanto, el tubo tendrá la siguiente nominación.
Tubería tramo - c: NPS 6 pulg SN 40 ASTM A106 Gr B
Línea de Tubería – Tramo d
Cálculo del diámetro interior
𝑃𝑃𝑑𝑑 = 60 𝑏𝑏𝑏𝑏𝑏𝑏 (870.2 𝑝𝑝𝑝𝑝𝑝𝑝 )
𝑇𝑇𝑑𝑑 = 82.2 °𝐶𝐶 (180 °𝐹𝐹 )
𝑣𝑣𝑑𝑑 = 0.001028
𝑚𝑚3
𝑘𝑘𝑘𝑘
28
Dado a que el fluido es agua a baja presión para la línea de descarga de la bomba
entonces la velocidad recomendada es de [300 – 600 fpm] por lo que para los cálculos
consideraremos 𝑉𝑉 = 600
De:
𝑝𝑝𝑝𝑝𝑝𝑝𝑝𝑝
𝑚𝑚𝑚𝑚𝑚𝑚
Entonces:
𝐴𝐴 =
= 3.048
𝑚𝑚
𝑠𝑠
𝐺𝐺𝑣𝑣 ∙ 𝑣𝑣 32.23 × 0.001028
=
= 0.01087 𝑚𝑚2
3.048
𝑉𝑉
4 ∙ 𝐴𝐴
4 × 0.01087
=�
× 1000 = 117.65 𝑚𝑚𝑚𝑚 = 𝟒𝟒. 𝟔𝟔𝟔𝟔 𝒑𝒑𝒑𝒑𝒑𝒑𝒑𝒑
𝜋𝜋
𝜋𝜋
𝐷𝐷𝑖𝑖 = �
Selección del Material
Dado que va a transportar agua líquida a alta presión y temperatura moderada se
puede escoger por un acero común como es el Acero ASTM A106 Gr B por su alta resistencia
a temperaturas elevadas además por uso comercial en sistemas de tuberías de agua.
Cálculo del número de Schedule (SN)
Se sabe que:
𝑆𝑆𝑆𝑆 =
1000 ∙ 𝑃𝑃𝑖𝑖
𝑆𝑆
De acuerdo con la norma ASME B31.1-2020 el esfuerzo permisible del acero ASTM
A106 Gr B a la temperatura de 180 °F nos da 17100 PSI.
Entonces:
𝑆𝑆𝑁𝑁 =
1000 × 870.2
= 50.8 (𝑛𝑛𝑛𝑛 𝑐𝑐𝑐𝑐𝑐𝑐𝑐𝑐𝑐𝑐𝑐𝑐𝑐𝑐𝑐𝑐𝑐𝑐)
17100
𝑆𝑆𝑆𝑆 = 𝟖𝟖𝟖𝟖 (𝑝𝑝𝑝𝑝𝑝𝑝 𝑠𝑠𝑠𝑠𝑠𝑠 𝑡𝑡𝑡𝑡𝑡𝑡𝑡𝑡ñ𝑜𝑜 𝑐𝑐𝑐𝑐𝑐𝑐𝑐𝑐𝑐𝑐𝑐𝑐𝑐𝑐𝑐𝑐𝑐𝑐)
Cálculo de las dimensiones nominales
Utilizando las tablas de la norma ASME B36.10M-2015 buscamos las dimensiones de
un tubo de acero que cumpla con los valores calculados anteriormente.
Con NPS 5 y SN 80
𝑂𝑂𝑂𝑂 = 5.563 𝑝𝑝𝑝𝑝𝑝𝑝𝑝𝑝.
29
𝑊𝑊𝑊𝑊 = 0.375 𝑝𝑝𝑝𝑝𝑝𝑝𝑝𝑝.
𝐷𝐷𝑖𝑖 = 𝑂𝑂𝑂𝑂 − 2 ∙ 𝑊𝑊𝑊𝑊 = 5.563 − 2 × 0.375 = 4.813 > 4.63 𝑝𝑝𝑝𝑝𝑙𝑙𝑔𝑔.
De acuerdo con la norma ASME B31.1-2020 el espesor mínimo de la pared del tubo
se calcula con la siguiente ecuación.
𝑡𝑡𝑚𝑚 =
𝑃𝑃𝑖𝑖 ∙ 𝐷𝐷𝑜𝑜
+ 𝐴𝐴
2 ∙ (𝑆𝑆 ∙ 𝐸𝐸 ∙ 𝑊𝑊 + 𝑃𝑃𝑖𝑖 ∙ 𝑦𝑦)
Utilizando los mismos valores que los cálculos anteriores con la única diferencia que
𝑦𝑦 = 0.4, entonces reemplazando en la formula.
Reemplazando:
𝑡𝑡𝑚𝑚 =
870.2 × 5.563
= 0.139 𝑝𝑝𝑝𝑝𝑝𝑝𝑝𝑝 < 𝑊𝑊𝑡𝑡 = 0.375 𝑝𝑝𝑝𝑝𝑝𝑝𝑝𝑝
2 × 17100 + 2 × 870.2 × 0.4
Entonces las dimensiones seleccionadas cumplen con los requerimientos. Por lo
tanto, el tubo tendrá la siguiente nominación.
Tubería tramo - d: NPS 5 pulg SN 80 ASTM A106 Gr B
La tabla siguiente resumen las características de todas las tuberías que conforman
el ciclo de vapor.
N°
Linea de
Tuberia
Presión del
fluido (psi)
Temperatura
del fluido (°C)
Flujo masico
(kg/s)
Material
(ASTM)
Diametro nom
(NPS) en pulg
Numero de
cedula (Sch)
1
Tramo a
870.2
520
32.23
A335 P9
8
100
2
Tramo b
7.3
81.49
32.23
A53 Gr B
60
Wt 0.5
3
Tramo c
7.3
81.49
32.23
A106 Gr B
6
40
4
Tramo d
870.2
82.2
32.23
A106 Gr B
5
80
30
Selección de accesorios
Válvula de compuerta para la línea de agua condensada
Se escogió la válvula de compuerta bridada con elastómero DN-150 Serie 14 de la
marca FlowRam la cual se usa en aplicaciones de agua, esta válvula tiene las siguientes
especificaciones.

Cuerpo y Tapa: Acero ASTM A-536

Compuerta: Totalmente revestida de
elastómero

Bridas de conexión: ISO 7005 PN10/16

Presión máxima de trabajo: PN-10 PN-16 PN25

Rango de temperatura: -15°C a 80°C
Filtro para la línea de vapor
Se seleccionó el filtro Fig B34 tipo Cesta con bridas de tipo ASME Clase 300 de la
marca SPIRAX SARCO, que está diseñado para instalarse en una tubería horizontal para
filtrar el condensado, el material es de acero al carbono.
31
Conclusiones y recomendaciones
•
El diseño de la chimenea se realizó con tiro forzado(ventilador) debido a que el empuje
producto de la diferencia de densidades entre el aire y los gases calientes no es suficiente para
vencer las perdidas en los componentes que constituyen la planta térmica y realizar una
chimenea de mayor altura elevaría los gastos económicos significativamente.
•
Se recomienda utilizar el aerocondensador en áreas donde el agua es muy escaza, sin
embargo, al ser un enfriamiento seco aumenta las dimensiones del intercambiador de calor
lo cual constituye mayores gastos económicos, dado que este trabajo corresponde al área de
diseño, se optó por utilizar aerocondensadores en el ciclo de vapor tal como se muestran en
los planos al inicio.
•
En la proyección de los 25 años de la planta térmica se toma como referencia la planta
rediseñada con 3 turbinas de gas y 1 de vapor, para así reducir gastos y tiempo en nuevos
diseños de la implementación y distribución de los equipos, se construirá 3 plantas nuevas
técnicamente idénticas a la planta que fue rediseñada y así abastecer la demanda proyectada.
32
Bibliografía
1. The American Society of Mechanical Engineers. (2020). Power Piping (ASME B31.1)
2. The American Society of Mechanical Engineers. (2016). Process Piping (ASME B31.3)
3. The American Society of Mechanical Engineers. (2018). Gas Transmission and
Distribution Piping Systems (ASME B31.8)
4. The American Society of Mechanical Engineers. (2015). Welded and Seamless Wrought
Steel Pipe (ASME B36.10M)
5. International Organization for Standardization. (2001). Petroleum and natural gas
industries – Piping (ISO 15649)
6. Catálogo de filtros, SPIRAX SARCO. Filtro Fig B34
7. Catálogo de válvulas de compuerta, FLOWRAM. Válvula compuerta bridada con
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8. Colman, Anthon, Laurence, (2000). Manual de calderas. Madrid: Mac Graw-Hill
9. CONUEE. (2009). Tratamiento de agua para su utilización en calderas
10. Guía de Referencia Técnica, Distribución del vapor Spirax Sarco
11. CERVANTES, Luis (2015). Diseño y construcción de un ablandador de agua mediante el
empleo de resinas para los equipos del laboratorio de termodinámica, Universidad
Politécnica Salesiana sede Quito