ESCUELA S U P E R I O R

P O L I T E C N I C A D E L LITORAL FACULTAD DE INGENIERIA EN MECANICA “C~JcuIo de ma Planta Pilots, de Vapor prra la Escuela de Tecnologfa de Alimcntot de la ESPOL”

TESIS D E G R A D 0 Previa a la Obtencidn de1 Tftulo de

TbJGENIERO MECANKCO PRESENTADO POR

DENNYS FERNANDO FERRERA LAIN= Afi~ hayaquil

bctivo

1995

CALIFlCAC IONES Trabajo Escrito: _._____.____._I_____ ................................................................. ..~.~....~............ Exposicih Oral: .........__............._..__._ ..I.._- ...- ..__.-.-. _ _...........................Equivalente a .........................................................................................

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ESCUELA SUPERIOR POLITECNICA DEL LITORAL Facultad de Ingenih en Mechica “C~culo de una Planta Piloto de Vapor para la Escuela de Tecnologia de Alimentos de la ESPOL”. Tesis de Gmdo Previa a la Obtemi6n de1 Titulo de : INGENIERO MECANICO Presentado por : DENNYS FERNANDO HERRERA LAINEZ Guayaquil - Ecuador

AGRADECIMIENTO

Al Ingeniero Angel Vargas ZSi@+ Director de tesis, por su ayuda y colaboracih para la realkacibn de &.e trabajo.

DEDICATORIA

A mis padres Con amor y cariiio les dedico mi educac%n, en especial a mi madre, la Lcda. Leonor Lainez de Herr- porque gracias al esfuerzo, respaldo y comprensif5~ guiaron mis pasos por el catnino de la superaci~n hasta culminar con &it.0 mi carrera.

A mis hermanos Leonor y Victor les dedico este triunf’o logrado, en especial a mi herma;tla, ya que con su valiosa ayuda culmin6 el presente bxibajo.

A mi enamorada Johanna que con sus consejos me incentiv6 a culminar Cste trtibajo.

DECLARACICiN EXPRESA

” Laresponsabilidad por 10s hechos, ideas y docbinas expuestas en esta tesis corresponden exclusivamente a su autor, y el patrimonio intelectual de la misma, a la ESCUELA SUPERIOR POLITkNICA DEL LITORAL .”

I

RESUMEN El siguiente trabajo fue realizado con la fhalidad de mejorar la Planta Piloto de Vapor ya existente en la Escuela de Tecnologia de Alimentos de la ESPOL, la cual no ha sido disehda tenhdo en consideracihn las normas y t&&as requeridas para su adecuado funcionamiento. En la elaboracih de la tesis se siguieron las siguientes etapas: a) Se visit6 e inspeccion6 la Planta Pilot0 de vapor para constatar el estado de 10s equipos y ademhs obtener 10s datos de consume de vapor de cada equip0 para asi elaborar la tesis. b) Luego se recopil6, plan&b y organizb la informacih obtenida c) Por hltimo se realizaron 10s chlculos y operaciones. Los resultados de1 tkbajo son 10s siguientes : La caldera que se considera es de1 tipo pirotubular vertical con una presih de trabajo de 100 psi de 30 Caballos de Caldera.

De acuerdo a

10s chhlos realizados necesitamos una cakIera de 25 C.C., y corn0 en el

II

mercado no existen de Cste caballaje se seleccioni, la inmediata superior para poder asi satisfacer la demanda de vapor. Cabe indicar que la seleccih de la caldera se la hizo por medio de catiilogos de la Cleaver Brooks.

Sistema de agua de alimentacibn El agua de alimentacih de una caldera cons&ye la materia prima para la produccih de vapor, por lo tanto, este element0 debe ser .. ttammskado permanentemente a la caldera a fh de mantener una genera&n constante de vapor. El sistema de agua de alimentaci6n de nuestra caldera e&ark compuesto por 10s siguientes elementos : - tanque (s) de almacenamiento - equip0 de bombeo; y, - equip0 de control. Los tanques de almacenamiento pueden ser: de agua de alimentacih o de condensado al mismo tiempo, en nuestro case el tanque hark ambas funciones.

IV

Nuestra caldera funcionarh con Bunker No. 6 coma combustible a q-

Los inconvenientes que presenta el Bunker No. 6 es que es un

combustible no muy limpio, y ademhs es muy pesado (viscose). Este problema se soluciona calenthdolo para bajar su viscosidad poniendo precalentadores, uno en el tanque de combustible de uso diatio, y otro antes que he ingrese a la boquilla de1 quemador. En este kltho precalentador, la tempera&a de1 Bunker debe estar aproximadamente a 100*c.

Controles autom&icos Los controles automhticos de las calderas tienen 2 funciones b&&s: - Regulacih ; y , - Seguridad El funcionamiento normal y eficiente de la caldera es dependiente de 10s diferentes instrumms de medicih inskhdos en ells, 10s cuales se encargan de regular 10s tierentes sistemas ( agua de alimentaciicin,

V

combustible, etc. >. Ademhs otros controles son usados por razones de seguridad.

Tuberias de vapor y retorno de condensado Las tuberias de vapor y retomo de condensado fkuxon dimensionadas tomando en cuenta : el ct.&al miisico que t5rcM por ells, la presih de vapor, la c&la de presih mhxima admisible la longitwi total de la tub& y para las tuberias de retomo de condensado: las cargas de condensado, la presih en la tube& de retomo y la velocidad permisible. Tomando en cuenta &&OS factores y reahando 10s chlculos nos Akron tube&s de 1” de d&metro para ambos cases ( tuberias de vapor y retomo de condensado ).

Ahdante El material tislante que se recomendtj usar es ha mineral, c&e hacernotar que hs tuberias est.&an desprovistas de aisltxtniento. Como esta Planta Piloto no tenia tuberia de retomo de condensado, no poseia trampas de vapor las atales desptis de un t4m2kis detallado y

vi ayudados por medio de tablas las seleccionamos siendo Cstas de1 tipo flotador y tamo5Gtica, y en case de no encontrar en el mercado, se puede usar la trampa Termodinhmica coma una alkmativa que tambih serh t&rable para el circuito de retonzo de condensado.

VII

INDICE GENERAL Phg. I

Resumen

*......*..*..........................*..............,........

lndice General

*......*.*.........*......*..................................

VII

Indice de figuras

. . . . . . . . . . ..*.*......**......................................

XII

Indice de diagramas

..*.......*............*...**...............*...............

XIII

Mice de Tablas

.............................................................

htroduccih

,.............................................................

i

capitulo## 1 1. Funcionamiento y descripcih de 10s equipos . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

2

1.1 Descripcih y fb.ncionamiento de 10s equipos exist&es e n l a Planta Piloto de la Escuela de Tecnologia .............................................................

2

1.1.1 Caldera

.............................................................

2

1.12 Autoclaves

.............................................................

3

1.1.3 Man&as

..............................................................

9

1.1.4 Cocinador

..............................................................

10

de Alimentos

VIII

P&g. 1.1.5 Evacuador ...............*.................................................

11

caphlo # 2

. . . . . . . . . ..*...................................

15

.,............,..*........*.*........*.....*...

15

2.2 clasificacibn de Is calderas . . . . . . . . . . . . . . . . . . ..*..........................

16

2.3 Factores que intervienen en la seleccih de caMeras . . . . . *..

20

2. Seleccih de la caldera

2.1 htroduccih

2.4 Balance thnico de cada equip0 . . . . . . . . . . . . . ..*s....................... 22

capitulo # 3 3. Sistemadeaguadealimentaci~n . . . . . . ..*........*......................... 3.1 Introduccih b

33

. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . ..~.............. 33

3.2 Dimensionamknto de1 tanque de agua de alimentaci~n . . . . . .

34

3:3 Criterios de seleccih de las bombas de agua de aliment&h .,......*.*...........*.............................................. 3.4 Seleccih de la bomba ,.....*..........,..*.....................,..*.........

36

39

Ix

Phg. capitulo # 4 4. Sistema de combustible ..........................................................

42

4.1 Tipos de combustible que puede quemar una caldera ......... 42 4.2 Componentes de1 sistema de combustible .......................... 43 4.3 lDimensionamiento de1 tanque de combustible ..................... 53 4.4 Chlculo de la potencia de1 motor de la bomba ...................... 55

capitulo # 5 5. Controles de calderas ................................................................ 58 5.1 Generalidades ...................................................................... 58 5.2 Control de la combustih ..................................................... 59 5.3 Control de nivel ................................................................... 60 5.4 Segmidad de llama ............................................................... 63 5.5 Programadores ..................................................................... 64 5.6 Presostatos ........................................................................... 66 5.7 Termostat.os ......................................................................... 68 5.8 Aparatos de control que tenti la Planta Piloto .................... 70

X

P&g. Capitulo # 6 6. C&do y dimensionamiento de las tub& de vapor y retomo de condensado . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . ...*..

74

6.1 Par&metros necesarios para dimensionar las tuberhs de vapor y de retomo de condensado . . . . . . . . . ..*...........*...............

74

6.2Procedimiento de cblculo de las tuberhs de vapor y de retomo de condensfxio . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . ..*..........*...........*...

76

6.3 C~culo y seleccih de1 ai&miento de las tuber& de vapor y retomo de condensado . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . ..*...........*...........*.....

88

capitulo # 7 7. Trampas de Vapor .........*.......**............*....................................

92

7.1 Definicih ...*...........................................*............................ 92 7.2 Tipos de trampas de vapor ...................................................

92

7.3 Seleccih de las trampas de vapor .......................................

94

7.4 Ubicacih de las trampas de vapor ....................................... 95 Esquema de la Planta Piloto de vapor ........................................... 96

XII

INDICE DE FIGURAS Ptig. Figura# 1 ................................................................................

44

Figura#Z ................................................................................

47

Fig3ura#3 ................................................................................

49

Figm#4 ................................................................................

52

Figura#5 ................................................................................

54

Figura# 6 ................................................................................

60

Figura#7 ................................................................................

63

Figuni#8 ................................................................................

66

Figura#9 ................................................................................

67

Figura# 10 ...............................................................................

69

.

XIII

INDICE DE DIAGRAMAS

Pig. IIxagma#l

............................................................................

80

Diqpna#2

............................................................................

81

Diagrama#3

............................................................................

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XIV

INDICE DE TAEUAS Paig.

Tabla I

......~.....~.............~...~........~.....~.........~...~~~~.~..~.~.~.....

101

Tabla II

............................................................................

102

Tabla III

............................................................................

103

Tabla IV

~..........................................................,................

104

TablaV

.....~......................................................................

105

Tabla VI

. . . . . . . . . . . . . . . . ..*.........*...**....................*.....................

106

TablaVII

........... ..*..........................*.....*.............................

107

Tabla VIII

*......*......*...........................*.............,,..................

108

INTRODUCCION Actualmente mhs de1 90% de las Industrias existenks en nuestro pah utilhn calderas.

Estas Industrias a veces no son dimensionadas y

disehhs tomando en cuenta 10s requerimientos de vapor de cada equipo, asi corn0 de las normas, ticnicas y procedimientos necesarios para su diseffo, dimensionamiento y selecckh. Uno de ktos cases ha sido el de la Planta Piloto de Vapor de la Escuela de Tecnologia de Ahnentos de la ESPOL, la cual f&e instakh sin realhr 10s c&ulos previos y necesarios para su dimensionamiento y diSdi0.

El siguiti trabajo de this es real&ado con el fin de proporcionar a la ESPOL 10s dates y chhlos necesarios para mejorar la eficiencia de la Planta Piloto de Vapor. /

La presenk obra esth dividida en siete capkulos en 10s cuales se

J .( trata sobre el fhcionamiento de cada equipo, seleccibn de la caldera, dinmsionamiento de1 sistema de agua , dimensionamiento de1 sistema de ,

I combustible, seleccih de controles automhticos de la caldera y eqtipos,

CAPITULO f 1

1. Funcionamiento Y descrbci6n de 10s equi~os

1.1 Descripcibn y fimcionamient.o de 10s equipos existenks en la Planta Piloto de la Escuela de Tecnologia de Alimentos. 1.1.1 caldera 1.1.2 Autoclaves 1.1.3 Marmitas 1.1.4 Cocinador 1.1.5 Evactior

2

1, FUNCIONAMIENTO Y DESCFUPCI6N DE LOS EQUIPOS EXISTENTES 1.1 Dewripciiin y funcionamiento de 10s equipos existentes en la planta pilot0 de la Escuela de Tecnologh de Alimentos En la planta pilot0 de vapor de la Escuela de Tecnologzja de Alimentos existen 10s siguientes equipos: - una caldera - DOS autoclaves horizontales - Una autoclave vertical - DOS marmitas - Un cocinador, y, - Un evacuador 6 productor de vacio

1.1.1 Caldera La Caldera sirve para swGistrar vapor a 10s diferentes equipos existentes en la planta pilot0 de Tecnologia de Alimentos. Esta caldera tiene 183 siguienks caracteticas : -Marca: Distral

- Modelo: DV 30 - 150 - Tipo: pirotubular vertical - Superficie de calemamiento: 210 ti - Presih de disefio: 150 psi - Combustible: Diesel - Oil - Ail0 de construction: 1993 - Presion de trabajo: 100 psi - Capacidad:30 Caballos de Caldera La caldera estA instalada sobre una losa de hormigon y esta sujeta a la misma por medio de pernos de anclde. La v&ula de seguridad se encuentra desprovista de una tube& de desfogue de vapor. Los instrumentos de control de la cakiera estkn constituidos por: un manometro de 0 a 300 psi y un tubo visor de1 nivel de agua de la misma

1.1.2Autodaves Los dos objetivos de1 tratamiento tkmico (esterihzaci~n) son: t.ermhar de cocer el pescado contenido en el interior de 10s envases 6 latas, e inactivar todas las bacterias y enzimas que se hallen presentes.

4

La esterihzacion es la operation bkica al fabricar una conserva, ya que de ells dependera su makerabilidad y, en gran medida, su calidad iinal. Lamentablemente, si bien este proceso aporta grandes ventajas al producir en un alimento tanto la esterilidad comercial coma la inactivation de las enzimas, por otra parte lo altera al modificar sus caracterkticas ticas-organolptiticas. Dichos cambios est&n en relation directa con la temperatura y el tiempo empleados en el proceso. Es esend por lo tanto, aplicar un proceso tkmico que se encuentre en un just0 tx5-mino medio, es decir, que ademas de permitir una esterilizacicin eficaz, modifique lo menos posible las cualidades organolepticas y nutritivas de1 producto, proporcionandole asi mismo un alto grad0 de C&dad.

Para determinar un proceso de esterilizaci6n es necesario reakar un estudio de penetration de1 calor en el producto, precisar la contamination initial, conocer la resistencia de las esporas al calor y determinar las caracten’lscas de1 aliment0 a envasar y el tipo de envase que se empleara.

Luego mediante metodos matematicos, es posible establecer exactamente cu6l es el proceso necesario para destruir un microorganismo d&XG.MdO.

En conservas de baja acidez la esterilizacion se calcula sobre la base de la destruction total de un nulunero m&rim0 de esporas de CLOSTRIDIUM BOTILIUM. Es necesario tener presente que algunas bacterias termofilicas producen esporas de mayor resistencia que las Clostridium Botihum, por lo cual es importante reducir al minim0 el desarrollo de dichas cepas termorresistentes, empleando bactericidas adecuados en 10s equipos y manteniendo iguahnente un alto grad0 de higiene en la elaboracicin, ya que un proceso de e2&Aizacion suficiente psra destruir Cstos microorganismos afectia notoriamente la textura el sabor, y el color de1 producto. Las temperaturas y 10s tiempos a 10s que trabajan las autoclaves son: Temperatura ( ‘C )

Tiempo ( min. )

121

50

117

60

En &a planta existen 3 autoclaves: - DOS autoclaves horizonties ( mediana y grande ) - Una autoclave vertical ( pequefia)

Autodaves Horizontalea En las autoclaves horizontales el sistema de distribuci~n de1 vapor consiste en una caiieria. perforada que se e2&nde a lo largo de hi superficie inferior interna ( fond0 ) de la autoclave. Las perforaciones deben hacerse en la parte superior de la ca%& y en forma perpendicular a su eje longitudinal. Para obtener una distribuci~n axin mejor la entrada & vapor al sistema de distribucit5n debe hacerse en la park media este. La autoclave horizontal mediana tiene las siguientes caracticas e instrumentos de control: - (I= 1,&l metros - Longitud 1,80 metros - Capacidad 1536 latas b 32 cajas - Un mantjmetro de 0 a 30 psi - Unavkkula de venteo

7

La autoclave horizontal grande no tenia ningGn instrumento de control his caracterkticas son las siguientes: - Q = 1,24 metros - Longitud 1,68 metros - capacidad 2640 h&is b 55 cajas - Una v&ula de venteo

Autodave Vertical Para Cste tipo de autoclave el sistema de distxibuci~n puede tener forma de cruceta o de anillo perforado. Las perforaciones se hacen en la parte superior 6 en 10s costados de la caiieria

Esta autoclave tiene

las siguientes caracteristicas e instrumentos de control: - I) = 0,62 metros - Longitud 1,lO metros - captidad 30 latas - Un termbmetro de 0 a 150°C -Unman~metrodeOa30psi60a2Kg/cm2 - Una v&ula de venteo

8

En ambos tipos de autoclave el numero de agujeros 6 perforaciones en 10s distribuidores de vapor estA determinado por el tam&o de estos y por el d&metro de entrada de1 vapor. Como norma general se estima que la suma de1 area de las perforaciones debe ser igual a 1,5 6 2 veces el area de la caiieria de entrada de1 vapor. La tabla I puede adaptarse corn0 una guk para hater dichas perforaciones. Tambien es importante el munero de perforaciones que tengan las canastiUas y carros, ya que de ser insuficientes pod&m provocar una mala circulation de1 vapor, originando zonas de bajas temperaturas dentro de la autoclave y causando la subesterilizaci6n de1 producto, con 10s consiguientes riesgos que ello implica. Cuando se use una cana&lla 6 carro met4lico perforado se recomienda cefiirse a la tabla II . La forma de colocar 10s envases en la canastiha debe ser tal que permita la libre circulation de vapor por entre las latas. Si fuera necesario separar dos lotes de envases dentro de la autoclave se recomienda usar una red de pesca u otro material de malla con un ojo de por lo menos 112 pulgada. No deben usarse sacos de ningun tipo ni paredes divisorias de

10

1.1.4 Cocinador

El cocinador sirve para pre-cocinar el product0 que va a ser envasado 6 enlatado.

Se hate un pre-co&ado, y no la coccion total de1 producto, ya que en la pr&ica 10s tiempos y temperaturas necesarias para esterilizar el contenido de1 envase son m&s que suficientes para efectuar su completa coccion. El pre-cocinador no posee ningun instrument0 de control ya sea de presion 6 temperatura. Este tiene las siguientes caracte~cas: est.6 hecho de planchas de acero de 5 mm. de espesor, tiene 2 m. de large por 1,3 m. de ancho por 1,3 m. de alto. La tapa va asegurada media& pemos.

Para efectuar el pre-cocinado de1 producto, debe alcanzarse una temperatura de 90 a 100 “C ( 212°F ) , siendo Csta la temperatura de trabajo de1 cocinador. Este se carga con el pescado en filetes puestos en Canastillas.

11

1.1.5 Evacuador Tras el llenado, es fundamental hater un vacio par&J en el envase, except.0 en las latas muy peque5as. Si no se realiza esta opera&n el gas exisknte, entre el product0 y la superfkie interna de1 envase se expandira, pudiendo causar abombamiento de la lata durante el tratatniento tkmico y el subsiguiente enfriamiento: al extraer el otigeno se contribuye aden& a prevenir el proceso de oxidaci6n que se pod&~ incrementar durante el ahnacenamiento. La evacuation que es corn0 se denomina a este proceso, es critica para el exit0 de1 enlatado y es esencial llevar a cab0 la metodologia rigurosatnente de acuerdo con el tratamiento dado previamente al product0 y con el tipo de la& En general se requiere un vacio par&l mils bajo cuando se espera que las latas estkn expuestas a temperatura ambiente alta, o a presiones muy b@as. El sellado de la tapa al cuerpo de la lata se realiza despues 6 durante la evacuation. La evacuation es una opera&n necesaria por las siguientes razones: a- Himinar ordgeno que acelera la corrosion en el interior de la lata

12

b.- Disminucicin debido al estiramiento de las latas motivada por la expansion de1 aire durante el calentamiento. c.- Prevenir la 02ridacicin de1 aliment0 y su alteration consiguiente d.- Mantener el vacio de la lata desp& de1 entiamiento. e.- Preservation de1 contenido de vitakna C

El funcionamiento es el siguiente: Despuk de1 envasado sobre el cuerpo de1 bote se coloca la tapa de modo que permita el libre flujo de 10s gases y vapores hacia el exterior de1 bote. Bote y contenido se calientan a continua&n hacikdolos pasar a travks de una &mara de vapor. El d&So de las camaras de vapor puede variar algo, pero bkicamente consisten en una caja larga bien aislada que se calienta con vapor, manteniendo una temperatura de 93 a 98 “C, la c&nara de la Planta Pilot0 tiene las siguientes dimensiones: 4,88 m. de large por 0,26 m. de ancho por 0,21 m. de alto. Una vez colocados sobre un transportador, 10s botes pasan a traves de la cktnara en la que normalmente reciben chorros de vapor. Los botes permanecen en la cknara un tiempo determmado, el cu.al es dependiente

13

de la velocidad de1 transportador ( banda ). Para conseguir un v&o de 20 cm. de Hg corrientemente se requiere que las latas permanezcan en la chara de 20 a 30 minutes. Una vez producido el vacio, esto es cuando la lata sale de1 tkel, se procede a cerrarla.

Cabe hater notar que todos 10s equipos, except0 la caldera y la marmita de 301ts. , fueron manufacturados en la ESPOL. Otra acotaci6n importante es que la tuberia de 5amindro de vapor a la Planta Pilot0 fue encontrada sin 10s soportes necesarios y sin el aislamiento _~ -correspondiente, y adem& esta Planta Pilot0 carece de tubetias de retomo de condensado y de trampas de vapor.

CAPITULO # 2

2. Seld6n de Caldera 2.1 Introduccih 2.2 Clasificaci6n de las calderas 2.3 F&ores que int.ewienen en la selecch de cakieras 2.4 Balance tthnico de cada eq,uipo

15

2. SELECCION DE LA CALDEFU 2.1 Introducck

Teniendo las calderas una vida util estimada en 25 adios es necesario hater un anal.isis de 10s diferentes factores que se deben considerar para efectuar una correcta selection de las mismas.

El principal factor que debe tomarse en cuenta para la seleccibn de la caldera es la demanda de vapor que se necesih para determinar la capacidad de genera&on de vapor correspondiente a su demanda

Es de mucha importancia tener en cuenta Cste factor, ya que si seleccionamos una caldera con capacidad excesivamente grande con respect0 a su demanda esta altemativa seria antiecon&nica. Por otra parte, si seleccionamos una caldera de menor capacidad que la requerida se nos presenti el problema que nunca se llegaria a cubrir la demanda necesaria Otro factor importante es la presion de vapor que se requiera para utihzarla en un proceso tkmico determmado.

16

2.2 Clasificaci6n de las calderas

Al hater la clasificaci~n de las c&has, se trata de establecer las principales caracterkicas de 10s diversos tipos de instalaciones que se necesitan para obtener vapor. Se potia establecer la clasificacibn de las calderas bajo las siguientes bases: - Por la energh consumida - Por la disponibilidad de 10s tubos - Por la situacibn relativa de 10s espacios de combustih y agua - Por 10s mt%odos de circulacibn de agua - Por hpresih de trabajo - Por el nhero de pasos 6 retornos - Por la disposicih de 10s tubos - Por la posicih de las calderas.

- Por la energia consumida.- De acuerdo a &a clasificaci~n se tiene :

- Energia calorifica - Energia Elhica

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- Energia quhnica Por energia quimica se entiende al combustible (coma element0 quhico) que quemria una caldera para generar vapor y segh el tipo de combustible, la clasificaci6n seria la siguiente:

-J -FCaad-rb6onil

tipos - Diesel de - Kerosene c o m b u s t i b l e -GLP I

I

-GasNatural - Bagam de caih

- Por la disponibilidad de 10s tubas.- En &a clasificacibn se encuenhu

las calderas: -Contubos,y; - Sin tubos. - Por la situacicin relativa de 10s espacios de combustih y agua.- De

acuerdo a tsta clasificaci6n las calderas pueden ser:

18

/

Calderas de tubas de agua

- Tipo cabezal

( Acuatnbnlares)

I - DOS colectores

- Tres Colectores

Calderas de tubas de fuego ( Pirotnbalares )

La principal diferencia entre Cstos tres tipos de calderas de tubos de agua es:

a- El nlimero y colocac%n de 10s colectores y tubos que contienen el

b.- El tamdo de 10s tubos; y c.- Su tingulo de inclimcii>n con respect0 a la horizontal.

- Por ei tipo de circulacith de agua.- De acuerdo a Csta clasificaci~n las calderas pueden ser : - Circulaci6n Natural

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- Circulaci6n Libre - Circti6n Acelerada - Circulacicin Forzada * - Recirculaci6n Forzada *l

- Por la presih de trabajo,- Estas pueden ser: Calderas de alta presibn ( > 20 Kghnz Plantas El&ricas; Acuatubulares ) Cakkras de baja presi6n ( 7 a 10 Kg/cm’ ) Pirotubulares.

- Por el niimero de pasos.- De acuerdo a Bste criteria las calderas puedenser : - Un pas0 - DOS pasos - Tres pasos - cuat;ro pasos EntGndase por pasos, la pasada de gas proveniente de1 hogar ha& el sitio alrededor de 10s tubos de agua ( calderas acuatubulares ) o la

1

Se efectia por medio de bombas

pasada de gas a trav& de 10s tubos de fuego en cada cambio de direccih de flujo ( calderas pirotubulares ).

- Por la disposicih de 10s tubas.- De acuerdo a Cste criteria pueden ser: - De tubos rectos - De tubos inc~os, y; - De tubos curves.

- Por la posicih de las calderas.- Estas pueden ser: - Verticales , y; - Horizontales

2.3 Factores que intervienen en la seleccih de calderas

Ademhs de la capacidad en Caballos de CakIera 6 Kg/h y de la presih de trabajo, 10s factores que se consideran para seleccionar una caldera son:

21

- El agua de ahmentacion disnonible.- El agua influye directamente en la duration y buen funcionamiento de la caldera. - El tiempo de opera&n diaria de la caldera- Este factor in&rye en la cantidad de vapor que se requiers, asf corn0 en la election de1 combustible a usar. - Tine de caldera a usar- Las calderas pirotubulares pueden ser usadas hasta presiones de 250 Lb/p@ y hasta capacidades de 25000 lb/h de production de vapor. - Niunero de unidades.- El usar dos 6 m&s calderas de la misma capacidad nos da las ven@@s de disponer de flexibihdad con respect0 al mantenimiento y poder contar con una caldera corn0 minim0 en cualquier moment0 critico. - La selection de1 combustible.- Entre 10s combustibles que puede usar una caldera tenemos: carbon, LPG gas hcuado de petroleo, diesel oil, kerosene y petroleo pesado 6 Bunker No. 6. De todos Cstos combustibles el m&s usado es el diesel-oil, ya que es un combustible relativamente hmpio, f&l de almacenar y no requiere de gran cantidad de equip0 para su manipulation.

22

Hoy en dia el precio de1 galh de1 diesel-oil es muy elevado, por lo cual se esthn realizando cambios en 10s sktemas de combustible de las calderas para cambiarlos de diesel-oil a Bunker no. 6. Estos cambios se 10s explicarhn en el caph.lo que concieme al combustible.

2.4 Balance t6rmico de cada equipo.

El balance thmico consiste en la determinacih de las cargas caloriiicas expresadas en unidades de potencia Kcalh 6 Caballos de Caldera a utilkarse en un proceso industrial.

El procedimiento a seguir es el siguiente : - Los equipos serh considerados perfectamente aislados, luego por regla general ( Libro Calderas Industriales y Marinas por Ing. Angel Vargas Z. p&j.na 139 ) se puede estimar las pCrdid.as por radiacih y conveccih coma el20?4 de la carga t&mica de cada equip0 cuando Cstos no poseen ningim aishniento tkmico.

23

- Se considerar~ que el calor qw absorben 10s carritos, es despreciable en comparacih con el calor que absorbe el pescado, por lo taut0 se lo despreciar& y al final de1 chhlo de la carga calor&a se akidirh el 1% de la carga calorifica de1 equipo. - Para el c&ulo de la carga calor3ica se considerarh el vapor saturado, puesto que al vapor recalentado se lo emplea solamente para utikar su energia cihtica y en nuestro case solamente requerhos energia t&mica - Se escogerh al pescado coma product0 de elaboracih, ya que Cste es el que mhs demora en su coccih y envasado con respect0 a otros productos que se pod&n procesar en la Planta Pilot0 de la Escuela de Tecnologia de Alimentos.

CARGA CALORiFlCA

WCINADOR Por datos obtenidos, en Cste equip0 se pre-co&an 1000 Kg. de pescado a 100°C y durante 90 min. m = masa de pescadokiempo = 1000 Kg. Cp= Calor especifico de1 pescado = 0,98Kcal/Kg “C

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TV= Temp. de1 medio (vapor) = 100°C Tp = Temp. de1 pescado. = 20°C tiempo = 90 min. Q,,= m CpAT

Q,o= m c,C ‘L - TP ) m = 1000190 Kg/min m= ll,llKg/min=666,7Kg. /h m = 666,67 Kg. / h Q,. = 666,7 x 0,98 x ( 100 - 20 ) K@I x KcaVKg”C x “C Q,, = 52267 Kcti

Por recomendadn dada al comienzo:

20% ptkiidas rad. y conv. = 10453,4 KcaVh 1% pkkias por cadas y carrito = 522,67 KcaVh

Q coT = 52267 + 10453,4 + 52267 KcaUh QcoT = 63243,07 KcaUh

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AUTOCLAVES Autdave horizontal grande: Datos: Entran 55 cajas y cada caja tiene 48 latas. Cada lata pesa 200 gr. T,,= Temp. de estexilizaci~n = 117 “C T,= Temperatura de las latas = 22°C Tiempo de estexilizacibn = 60 min. = 1 h C,, = 0,98 Kcal/Kg”C

Q,= mCpAT .

m=55caiasx48latas xlti. x200 =a. 528Kg./h lata 1000 gr. caja h

m=528K@h Q,= 528x0,98x( 117-22) Kg/hxKcaVKg”Cx”C Q,= 49 156,8 Kcal I h

Por recomendacibn: 20% pklidas rad. y conv. = 9831,36 K&h 1% pkkl.as por canastillas y carrito = 491,568 Kcab’h

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Q *s,. = 49156,8 + 9831,36 + 491,568 KcaVh QrhT = 59479,73Kcal/h

El mismo procedimiento se hate para las dos autoclaves restantes: m,=32cajasx48latas x 2 0 0 a. xlKg. = 307,2Kg./h h caja lata 1000 gr.

mav =48latas

x200 e;r. xlKg. = 6KgJh lata 1000 gr.

Qh= 307,Z x 0,98 x ( 117 - 22 ) Kg/h x Kcal/Kg’C x “C Q,= 28600,32 Kcal/h

Por recomendacic?n: 20% p&didas rad. y conv. = 5720,06 Kcal/h 1% pCrdidas por canastiuas y carrito = 286 KcaVh

Q ahmT = 34606,4Kcal/h

Qw=6x0,98x( 117-22)Kg/hxKcaVKg”Cx”C Q,= 558,6 K&h

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Por recomendacih: 20% pddas rad. y conv. = 111,72 &W/h 1% p&didas por canastjllas y carrito = 5,586 KcaVh Qa#r = 675,906 l&d/h

201tsx 1 m2=0,020m3 1000 lts. 3Oltsx 1 m2=0,03m3 1000 lts. La densidad de la salsa es aproximadamente igual a la de1 agua 6 sea 1000 Kg/m3 0,03 m3 x PO00 Kg/m3 = 30 Kg.

Calor espedfico de1 agu.a 1 KcaVKgT

30 Kg. x lKcal/Kg°C = 30 Kcal/T

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Como la s&a tiene que hervir, entonces la temperatura a la que lo hate es 100°C y la temperatura a la que empieza es 20°C en 8 min2

q=3Ox(KcaV*Cx”C 100-20) 0,133 h

q = 18000,5 Kcal / h

Lo mismo parala otramarmita 9=20x( 100-20) KcaU”Cx”C 0,133 h

q = 12000,3 Kcal I h Por recomendaci~n : 20% pkrdidas rad. y ponv. = 3600,l KcaVh Q,= 21600,6 KcaVh Por recomendadn : 20% p&didas rad. y conv. = 2400,06 Kcal/h cr,= MOO,36 Kcalih

2

Estos datos son experimentales y fireron obtenidos en la misma Escuela de Tecnologia de Alimentos.

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EVACUADOR Volumen de vapor = 4,813 x 0,2l x 0,26 m3 v = 0,266 m3

tiempo que permanecen las latas en la ckmara = 30 min. = 0,5 h. 0,266 x l/0$1 = 0,533 m3/h

Volumen espectico de1 vapor saturado a 95°C = 1,982 m3/Kg 0,533m3/h x l/ 1,982 m3LKg = 0,2689 Kg. I h Calor de vaporizaci6n de1 agua ( vapor ) = 539 Kcal/Kg 0,2689 Kg. / h x 539 KcaUKg = 144,94 KcaY h Por recomendacibn: 20% pkrdidas rad. y conv. = 28,987 K&h

QeT- 173,93 Kc&h

632cc3,07 + 59479,73 + 34606,4 + 675,91+ 21600,6 + M-400,36 + 173,93 = 194180 K&h x 4,02 BTU/h /KcaUh = 781943,2 BTU/h

Que en CabaUos de Caldera es 25 CC*

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CALDERA A SELECCIONARSE De acuerdo a 10s resultados obtenidos y a lo expuesto anteriormente seleccionaremos nuestra caldera asi: - Por la energia consumida Nuestra cahiera sera operada con energja qmmica, la cual quemara combustible Bunker No. 6 - Por la disponibihdad de 10s tubos: Esta cakiera si tendra tubos - Por la situation relativa de 10s espacios de combustion y agua~ sera pirotubular - Por 10s metodos de circulation de agmx sera de circulation forzada. - Por la presion de trabajo: sera de baja presion (125 psi.) - Por el numero de pasos b retomos: serzi de 4 pasos - Por la disposition de 10s tubos: sera de tubos rectos - Por la position de la caldera: serit de1 tipo horizontal (facilidad de mantenimiento) - De acuerdo al consume de vapor necesitamos una caldera con una captidad de 25 CC.; pero, seleccionaremos una caldera de mayor capacidad por las siguientes razones:

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En el mercado tenemos las calderas de acuerdo a lo que dice la tabla III (Catklogo de la Cleaver Brooks), entonces seleccionamos la que tenga las carackristicas parecidas a la que necesitamos, y Csta es de 30 CC 6 BHP ( D-230 ), cuyas caracteristicas esthn dadas en esta tabla, y la otra razh es por si alguna vez se requiem in&alar al* otro equip0 en la Planta Piloto, ya no seria necesario cambiar b adaptar otra caldera al sistema

CAPITULO # 3

3. Sistema de apua de alimentacih 3.1 Introduccih 3.2 Dimensionamiento de1 tanque de agua de alimentacit5n

3.3 Criterios de seleccih de las bombas de agua de aliment&h 3.4 Seleccih de la bomba

33

3. SISTEMA DE AGUA DE ALIMENTACI6N 3.1 Introduccicin El agua de alimentacih de una caldera constituye la materia prima para la produccih de vapor, por lo tanto, este element0 debe ser sumhktrado permanentemente a la caldera a fh de mantener una generacih constante de vapor. El sistema de agua de alimentaci6n de nuestra caldera estarh compuesto por 10s siguientes elementos :

- tanqw (s) de almacenamiento - equip0 de bombeo; y, - equip0 de control.

Los tanques de almacenamiento pueden ser: de agua de

alimentacih 0 de condensado al mismo tiempo, en nuestxo case el tanque hark ambas fknciones. El equip0 de control est.h compuesto por: las v&hulas de regulacih de1 agua de alimentacih y 10s dispositivos de control.

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3.2 Dimensionamiento del tanque de agua de alimentach Como la genera&h de vapor en una caldera depende directamente de la cantidad de agua que se zuminhxa a Csta, es recomendable que la cantidad de agua de reserva y la capacidad de1 tanque de alimentacibn almacene una cantidad mhima de agua suficiente para sostener la evaporacih en la cak#.era, por lo menos durante 20 mirwtos. Para det.erminar l a c a p a c i d a d de1 t a n q u e d e agua d e almacenamiento xddizamos la fhw.la descrita en el libro Calderas Industriales y Marinas por Ing. Angel Vargas Z. phgina 147.

cc x 0,261lt/min x 20 min. Donde: CC = Caballos de Caldera 0,261 lthnin = cantidad necesaria de agua para satisfacer la demanda de 1 CC. 20 min. = tiempo para sostener la evaporacih en la caldera Entonces para nuestro case: 30 cc x 0,2611t%hnill x 20 min. = 156,6 lts.

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P o r otra park, e l t a n q u e d e ahnacenamiento de1 agua d e aliment.a&n no debed nunca estar 100?4 lleno, sino que es recomendable que Cste se encuentre siempre solamente con un nivel de agua que cubra el70% de la capacidad de1 tanque. De acuerdo a esto, tenemos: Reserva minima de agua= Cawcidad 0,7 Reserva minima de agua=

156.6 0,7

Reserva nSnimadeagua= 223,7lts. Entonces el tanque de agua de alimentacibn debe tener una capacidad de 223,7 lts. Las dimensiones de nuestro tanque de acuerdo a la capacidad detenninada precedentemente serh de: 60 cm. de large por 60 cm. de ancho por 63 cm. de alto. La raztjn de que tenga esta forma es por ahorro de material y para su f&l construcci~n. El tanque e&art+ provisto de una tapa registro para tener awes0 para su limpieza, y de un venteo para compensar 10s problemas de: - Dilatacitjn

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- Contracciones; y , - Choques tkmicos

3.3 Criterios de sekcch de las bombas de agua de alimentacih Los criterios de selecci6n de una bomba de agua de alimentaci6n para calderas son:

- Opera&n de la bomba ( continua 6 inte- ) - Temperatura de1 agua a la succi& - Capacidad - Predn de descarga - Carga neta de succi6n positiva requerida

- Ooeracih continua 6 iutermitente .- En la mayor parte de 10s cases de las bombas destinadas a las cdderas pirotubulares la opera&n es intermitente, que seti el tip0 de opera&n de nuestro sistema; esto se debe a que este tipo de calderas trabajan generahnente con un flotador sobre el cd acti u.n swifch; &ste hate que el motor que impulsa la

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bomba pare 6 arranque entre cierto nivel. En este case la tuber-k de descarga de la tuberia de ahmentacion &be dkigirse directamente a la caldera sin restricciones en esta hnea. De acuerdo a la tabla IV seleccionamos la capacidad de la bomba en fur&n de la capacidad de la caldera ( Caballos de Cakiera ).

- Temperatura deI aaua a la succirin,- Este par&metro tiene importancia partiendo de la premisa que las bombas estandar se encuentran disponibles con ranges de temperaturas entre aproximadamente 100°C ( 212°F ) a 104°C (22OT9, el cual serA nuestro case.

- Capacidad.- Eso es el caudal que una bomba puede proveer, pero siempre dependiendo tambiktr de la presion de descarga y de la carga neta de suction requerida.

Los dos tipos de bombas usadas para el agua de

aliment&on de calderas son: tipo turbina y tipo centrifuga.

i‘. Para nuestro case hemos seleccionado una bomba tipo para una

capacidad de 1,5 a 20 veces la capacidad de evaporaci6n de la caldera puesto que este tipo de bomba es la recomendada para opera&n

38 .

.

mtmmtde , que es lo que se requiere para la cakiera pirotubular que hemos seleccionado en el capMo # 2.

- Presh de descaraa- La seleccibn de la presibn de descarga en bombas tipo turbina es menos crkica que en bombas centrif@as; sin embargo, se debe asegurar que la presibn de descarga seleccionada sea siempre mayor que la presibn de opera&n de la caldera. Un valor de 0,35 a 1,76 K&m2 ( 5 a 25 lb/p@ ) por encima de la presibn de operacibn de la caldera sex-h un valor razonable a adoptar. Conforme a la t&la V podemos seleccionar la bomba que necesitamos de acuerdo a la presihn de opera&n de la caldera, realizando una extrapolaciifm.

- La carpa neta de aucch positiva.- Es la altura total absoluta de

succi~n en cm. 6 pies corregida al eje impulsor, menos la presibn de vapor de1 tiquido en cm. 4 pies absolutos. En realidad es un aklisis de las condiciones de succi~n de la bomba, para saber si el agua se vaporizanfi o no en el punto de menor presibn de la bomba

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3.4 Selecci6n de la bomba Con todo lo expuesto anteriormente y tomando en consideraci~n las recomendaciones escritas, seleccionaremos la bomba de la siguiente manem .

- De conform&d con la tabla 4 y tomando en cuenta que la capacidad de nuestra caldera es de 30 CC seleccionamos 10s galones por minuto que ten& que movilizar la bomba, esto es 2,07 GPM3 . Sus dem& caticas conforme hemos analizado serkn: - Tipo turbina - Funcionamiento intermitente - Presi6n de descarga 170 psi. Conforme a lo analkado precedentemente nuestra bomba deberb tener las siguientes caract.erkticas: La bomba debe ser de1 tipo tub& que trabaje inkrmitentemente, que sea capaz de movilizar 507 GPM y que tenga una presibn de descarga $ie 170psi.

3

CPM = Galones americanos por mind0

40

La potencia de1 motor que impulsarh nuestra bomba serh cahlado con la f6rmula que aparece en el Libro Calderas Industriales y Marinas

ptigixla%82

HP = 8.33 G . TDH . IS 33000 . q G = 507 GPM TDH = 170 psi x 531 pies H,.O = 3957 pies de %O lpsi ge= gew=l q = O,75 HP= 8.33x207x3927x 1 33000 x 0,75

HP = 0,274 HP Como en el mercado no existen bombas de Cste caballaje, se selecciona la que est.A mas prhima y es de l/3 HP.

CAPITULO # 4

4. Sistema de combustible 4.1 Tipos de combustible que puede quemar una caldera 4.2 Componentes de1 sistema de combustible 4.3 Dimensio~ento de1 tanque de combustible 4.4 Chhlo de la potencia de1 motor de la bomba

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4. SISTEMA DE COMBUSTIBLE 4.1 Tipos de combustible que puede quemar una caldera Los diferentes tipos de combustible que puede quemar una caklera son: - Carbtk -Gas - Kerosene - Diesel Oil -FuelOil - Bagazo de caiU4

El diesel oil, es usado en casi todas las calderas industriales, pero con el aumento el precio de tkte combustible, 10s industtiales ban optado por cambiar el sistema de combustible de sus calderas de diesel oil a Bunker No. 6 ya que Cste titimo es un combustible relativamente barato. Nuestra caldera funcionaA con Bunker No. 6 coma combustible a quemar. 4

El bagazo de caBa de azhcar es usado en calderas que operan en 10s Jngenios

azllcareros

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Los inconvenientes que presenta el Bunker No. 6 es que no es un combustible muy hnpio, y ademhs es muy pesado (viscose). Este problema se soluciona calent.hdolo para bajar su viscosidad poniendo precalentadores, uno en el tanque de combustible de uso diario, y otro antes que Cste ingrese al quemador. En este kltimo precahtador, la tempera&a de1 Bunker debe estar aproximadamente a 100°C. De acuerdo al diagrama Temper- vs. Viscosidad, Figura # 1, tendremos que la viscosidad de1 combustible antes de ingresar al quemador serh de aproximadamente de 100 segundos Saybolt.

4.2 Componentes del sistema de combustible Los componentes de un sistema de combustible son:

- Tanques y tuber&w de combustible - Bombas de alimentacih y de trasiego - Quemadores - Accesorios - Separadores ( purifkadores ) de combustible.

urdt. # l.- Diagrama vs.Viscosidad

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Tanques de Combustible Los tanques de combustible pueden clasificarse: F - ciKndIicos veaticali segan ml forma

- Cilhdricos Horizontales t - Rectaqdams

segth su nbicachin

1

- Sobro ea piso

_ stiMms

El material de construcci6n de 10s tanques &be ser siempre de acero y nunca de hierro galvanizado. Cuando 10s tanques est&n insta’lados a una altura superior a la que se encuentcan 10s quemadores de las calderas, se 10s denominan tanques de gravedad. El nbero de tanques y su capa&iad, dependerk de1 consume de combustible de la caldera y de1 mkmero de cakieras qw existan en la Pla--

El tanque de servicio diario deberk tener coma

minim0 una capacidad de almacenamiento tal que el combustible pueda durar 24 horas de opera&n de la(s) caldera(s).

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El 6 10s tanque(s) de reserva &be(n) tener coma minim0 una capacidad de almacenamiento de tal magnitud que el combustible pueda durar de 15 a 30 dias de tiempo de funcionamiento de la(s) cald.era(s).

En la t&la VI tenemos la capaklad minima de alnmwnamiento con respecto a 10s Caballos de Caldera (CC).

En la figura # 2 tenemos un arreglo 6 disposicibn de la . abmenk%n de combustible desde el tanque de servicio diario.

Nuestro tanque de combustible se& su forma se-r& cilindrico horizontal, y segrin su ubicaci&l, ser& sobre el piso; con la fkJidad de poder detectar align escape 6 derrame de combustible.

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L-------J

Fiiura # 2.- Sistema de Alimentacich. de Combustible hacia la caldera

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BOMBAS Las bombas de combustible son de1 tipo de desplazamiento positivo, rotativas y de engranajes. En la figura # 3 tenemos 10s diferentes tipos de bombas de engrmajes Toda bomba tiene coma ca~acteristicas principales: a) Su cabezal4 altura total de descarga ; y , b) Su caudal volum&ico. - Para el case de Fuel oil ( combustible pesado ), la altura de la bombano &be exceder de 17 pulgadas de Mercurio, sea que la bomba esti o no integradaalacaldera - La presi6n de descarga de la bomba para fuel oil puede fluctuar de 75 a 100 lb/pul$ dependiendo de1 arreglo de las tuberias de1 sistema de combustible. - En lo referente al caudal (GPH) 6 (GPM) de la bomba Cste dependeri de 10s Caballos de CakIera pudiendo Cste ser desde 30 hasta 400 GPH, por supuesto para el case de calderas que utilicen diesel oil corn0 combustible.