Instalación depropano

C3 H8

febrero2009

Introducción al cálculo de unainstalación de propano

Autor:

Jorge Rodríguez Araújo

Versión 1.2 © 2008, 2009 Jorge Rodríguez Araújo

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Jorge Rodríguez Araújo

grrodri@gmail.com

CC €

Índice 1. Introducción......................................................................................1

1.1 GLPs.........................................................................................................1

1.2 Descripción de la instalación...................................................................1

2. Cálculo del depósito..........................................................................3

2.1 Cálculo de la demanda............................................................................3

2.2 Cálculo por autonomía.............................................................................4

2.3 Cálculo por vaporización..........................................................................4

2.4 Cálculo de la válvula de descarga...........................................................5

3. Cálculo de la red...............................................................................7

4. Anexo..............................................................................................10

4.1 Puesta en servicio..................................................................................10

4.2 Combustión............................................................................................10

4.3 Poder calorífico......................................................................................11

4.4 Inflamabilidad........................................................................................11

4.5 Intercambiabilidad.................................................................................11

4.6 Mezclas de gases...................................................................................12

Referencias...........................................................................................13

i

1. Introducción

Los gases combustibles se agrupan en familias según su índice de Wobbe (W), función de su

poder calorífico superior1 (PCS).

W= PCSd r

[Índice de Wobbe]

Así, los gases combustibles se clasifican en tres familias, donde los gases manufacturados

pertenecen a la primera familia, el gas natural a la segunda y los gases licuados del petróleo (GLPs) a

la tercera.

1.1 GLPs

Los GLPs son los gases de mayor poder calorífico y se almacenan licuados en depósitos, ya

sean fijos o móviles (bombonas).

Entre ellos se encuentran el butano (C4H10) y el propano (C3H8), y aunque el butano presenta

un mayor poder calorífico que el propano, se utiliza menos.

Para que se produzca la combustión del GLP, este tiene que pasar de su estado de

almacenamiento líquido a vapor. Esto se produce en el interior del depósito gracias a la absorción de

calor del ambiente a través de sus paredes. Como el propano presenta un punto de ebullición más

bajo, su evaporación será posible en condiciones más frías.

Aunque los depósitos se encuentran normalmente al aire pueden estar enterrados, dado que

aunque su construcción es más cara, presentan dos ventajas fundamentales. La primera es que al

encontrarse enterrado la conducción de calor será mayor que la convección con el aire, con lo que el

depósito presentará mayor vaporización. La otra, se debe a que como los depósitos enterados se

realizan de ladrillo, en caso de explosión se desmoronará y quedará sepultado, siendo por tanto más

seguro.

1.2 Descripción de la instalación

En la urbanización del croquis adjunto, constituida por 4 bloques de 40, 25 y 50 viviendas, y 1

restaurante respectivamente, se pretende instalar un sistema de alimentación de GLP.

Cada vivienda dispondrá de una caldera de calefacción y ACS de una potencia nominal de 30

kW, estando prevista una utilización máxima de 6 horas diarias a la citada potencia.

La presión de garantía deseada en llave de acometida de cada consumo es de 1,2 bar, y para

1 El poder calorífico superior (PCS) es el calor liberado en la combustión completa de un combustible, estando reactivos y productos a la misma temperatura (0 ºC) y con el agua formada en estado líquido.

1

la realización de la red de distribución se usará tubería de polietileno del menor diámetro aceptable

según prescribe el Reglamento técnico de distribución y utilización de combustibles gaseosos.

a) Dimensionado del depósito para una presión de salida de 1,5 bar, considerando el vaciado

máximo y el mínimo de autonomía que admite el Reglamento.

b) Caudal de descarga de la válvula de seguridad tomando una temperatura mínima del

ambiente de 0 ºC.

c) Diámetro de las tuberías de P.E. a instalar en la red.

2

Esquema de la instalación

A

25 viviendas

1,2 barF

28 m

50 viviendas

1,2 barH

28 m

C40 m

B120 m

1,5 bar

40 viviendas

1,2 barE

20 m

Restaurante140000 kcal/h

1,2 barG

8 m

Depósito

2. Cálculo del depósito

Debido a que el calor se transmitirá, principalmente, por medio de la superficie del depósito

que permanece en contacto con la fase líquida del gas, deberá existir un nivel mínimo en el depósito

para que pueda vaporizarse el combustible, al cual se le llama nivel de reposición, y es de al menos

un 20%. Además, debe existir un nivel mínimo de gas del 15% que permita que exista el cambio de

estado entre líquido y vapor, lo que marcará el nivel máximo de llenado.

Así, se tiene que la capacidad útil de un depósito de GLP será del 65% del volumen

geométrico del mismo. De este modo, a la hora de dimensionar un depósito hay que garantizar que

ese 65% cubra la demanda de servicio (autonomía) durante un período determinado.

Además, se ha de comprobar que con el depósito en el nivel de reposición se tiene suficiente

capacidad de vaporización como para suministrar la demanda instantánea en el peor caso, o sea, que

existe suficiente superficie mojada para la vaporización. De otro modo, habrá de sobredimensionarse

el depósito o contemplar la posibilidad de instalar un vaporizador.

2.1 Cálculo de la demanda

Para empezar, se deben conocer le consumos, que vendrán dados en función de las

potencias de los aparatos ( Pn [kcal/h]); o en instalaciones domésticas (viviendas), según su grado

de gasificación.

De este modo, se calcula el caudal másico de los consumos individuales ( Qi [kg/h]) de

cada tipo, según:

Qi=PnPCS

Cuando existen varios consumos del mismo tipo ( n ), no se darán de forma simultánea

3

0%10%20%30%40%50%60%70%80%90%

100%

GLP 65%Vapor (min 15%)GLPNivel de reposición (20%)

todos ellos, por lo que se emplean unos coeficientes de minoración, quedando la carga total de

cálculo reducida según el valor del coeficiente ( S2 ).

S2= n194 n4 hasta 30 y 0,35 para más de 30 consumos iguales.

Así, el caudal simultaneo combinado ( Q sc [kg/h]) de cada tipo de consumo vendrá dado

como:

Q sc=n⋅S2⋅Qi

Finalmente, conocidas las horas de funcionamiento ( t ) de los aparatos, se tiene que el

consumo diario ( C [kg/día]) vendrá dado por:

C=Q sc⋅t

2.2 Cálculo por autonomía

El dimensionado del depósito por autonomía se realiza para cubrir la demanda durante un

determinado período en las peores condiciones.

Dado que la demanda viene dada por el consumo diario ( C [kg/d]), y la autonomía

mínima exigida por el Reglamento es de 15 días, considerando la densidad del propano ( = 510

kg/m3),el volumen del depósito para un llenado del 65% es:

V= 15⋅C0,65⋅ = 26,58 m3

2.3 Cálculo por vaporización

Dado que el depósito debe evaporar suficiente combustible como para satisfacer la máxima

demanda, sabiendo que la vaporización ( Q [kg/h]) se produce de forma natural, el calor aportado

4

Propano11900

Aparato S 2115 Caldera 25800 2,17 0,35 87,26 6 523,59

1 Cocina 40000 3,36 1 3,36 5 16,811 Caldera 60000 5,04 1 5,04 8 40,341 Plancha 20000 1,68 1 1,68 2 3,361 Freidora 20000 1,68 1 1,68 2 3,36

99,03 587,45

PCS [kcal/kg]

n Pn [kcal/h] Q

i [kg/h] Q

sc [kg/h] t [h] C [kg/d]

Consumo punta para gasif icación

Consumo diario para autonomía

por el ambiente en el peor caso vendrá dado por la mínima temperatura exterior ( T e [ºC])2.

Además, la transferencia de calor vendrá limitada fundamentalmente por la superficie de

contacto líquida, siendo el peor caso cuando el depósito contiene únicamente un 20% del volumen

en propano. Así, para un nivel de reposición del 20 %, el porcentaje de contacto ( a ) 0,336.

Finalmente, la superficie mínima ( S [m²]) del depósito se obtiene realizando un balance

energético, en el que se considera un coeficiente de intercambio térmico ( k [kcal/hm2ºC]) de 12

kcal/hm2ºC y un calor de vaporización ( q [kcal/kg]) para el propano de 94 kcal/kg.

S= q⋅Qk⋅a⋅T e –T i

= 104,94 m2

La temperatura interior del depósito ( T i [ºC]) viene dada en función de la presión de

suministro según lo especificado en la siguiente tabla:

Temperatura interior del depósito (Ti) [ºC]

Presión de suministro (p) [bar]1 1,25 1,5 1,75 2

Propano con un 5% de propileno -29 -26 -22 -20 -17GLP con 5 % butano -24 -21 -18 -15 -13

GLP con 5 % C4 (5% isobutano) -20 -17 -14 -11 -9

2.4 Cálculo de la válvula de descarga

La válvula de de seguridad asegura que la presión en el interior del depósito no supera un

límite determinado.

Está formada por un conjunto de válvulas de descarga que aseguran que la presión en el

interior del depósito no supera en más de un 20% su presión de timbre (20 bar), de forma que la

suma de las capacidades de descarga de las válvulas es capaz de evaporar el máximo previsible,

quedando siempre un válvula en reserva.

El caudal mínimo de la válvula de descarga ( Q [m3/min]) vendrá dado en función de su

presión de tarado ( pmax = 20 bar) y de la superficie del depósito ( S [m²]), de tal modo que:

Q= 10,6552⋅S

0,82

1,2⋅1− pmax2

785= 575,78 m3/min

2 En depósitos enterrados se suele considerar de unos 5 ºC.

5

6

Datos del propanoPCS [kcal/kg] 11900

510

94

12

n Aparato S 2 t [h] C [kg/d]115 Caldera 25800 2,17 0,35 87,26 6 523,59

1 Cocina 40000 3,36 1 3,36 5 16,811 Caldera 60000 5,04 1 5,04 8 40,341 Plancha 20000 1,68 1 1,68 2 3,361 Freidora 20000 1,68 1 1,68 2 3,36

99,03 587,45

Autonomía [días] 15

Volumen del depósito [m³]65% 26,5855% 31,41

Datos del depósito

0

-22

Vaporización del tanquea D [m] l [m]

20 % 0,336 104,9430 % 0,397 88,82

Válvula de descarga

20 % 104,942 20 575,7930 % 88,817 20 502,17

Densidad del gas licuado (ρ) [kg/m3]

Calor de vaporización (q) [kcal/kg]

Coeficiente de transferencia térmica (k) [kcal/hm2ºC]

Pn [kcal/h] Q

i [kg/h] Q

sc [kg/h]

Consumo punta para gasificación

diario para autonomía

Temperatura exterior (Te) [ºC]

Temperatura interior (Ti)[ºC]

S [m2]

S [m2] pmax

[bar] Q [m3/min]

3. Cálculo de la red

Las redes de gas se clasifican según sus presiones manométricas en:

Baja presión BP p ≤ 0,05 bar

Media presiónMPA 0,05 < p ≤ 0,4 bar

MPB 0,4 < p ≤ 4 bar

Alta presiónAPA 4 < p ≤ 16 bar

APB p > 16 bar

Esta clasificación en categorías de red no sólo se establece para diferenciar entre las

diferentes presiones de trabajo, sino para establecer las distintas calidades de materiales empleados

en el diseño y construcción de una instalación. Así, según aumentan las exigencias por la presión, los

materiales de los tubos irán del polietileno, pasando por el cobre, hasta llegar al acero.

Visto esto, en el cálculo de la red se da solución al diámetro de los tubos de la instalación.

Para ello se parte del esquema de la instalación, el caudal y longitud de las conducciones, la presión

de salida del depósito o en acometida según la instalación, y la presión de suministro a los consumos.

La presión de suministro de un depósito viene dada por la válvula reguladora de presión, que

conectada a la salida de la fase gaseosa, es la encargada de mantener estable la presión de salida,

con valores típicos de entre 1,5 y 2 bar.

La pérdida de carga para el propano viene dada por una de las dos fórmulas de Renouard

según el nivel de presión de la instalación.

Para P ≤ 0,1 bar : p1– p2=232000l e d cQ

1,82

D 4,82 [mbar]

Para P > 0,1 bar : p12– p2

2=48,6le d cQ

1,82

D4,82 [bar]

En estas expresiones:

l e es la longitud equivalente, que se tomará como la longitud real incrementada

en un 20% para tener en cuenta las pérdidas de carga en singularidades, o sea l e=1,2⋅l .

d c es la densidad ficticia del gas de trabajo, que para propano es d c=1,16 .

Para el cálculo de la red:

1. Calcular los caudales ( Q [m³/h]) máximos probables para cada tramo, desde el consumo

a la acometida o depósito.

7

2. Suponer un determinado diámetro ( D [mm]) y calcular las pérdidas de carga desde la

acometida hasta los consumos, hasta que se verifique el nivel de presión.

3. Verificar que la velocidad ( v [m/s]) máxima de la instalación no supere los 20 m/s,

sabiendo que esta viene dada por la expresión:

v= 354Qpabs D

2

En el cálculo del diámetro de los tubos, en conducciones de gas, hay que tener presente que

8

Propano24600

1,16

Consumos N Tipo S 2E 40 Vivienda 25800 0,35 14,68F 25 Vivienda 25800 0,38 9,95G 1 Restaurante 140000 1 5,69H 50 Vivienda 25800 0,35 18,35

Tramos Di [mm] ΔPAB 120 144 48,67 32,8 1,50 1,33 0,17 6,9BC 40 48 24,04 26 1,33 1,28 0,05 5,5BE 20 24 14,68 26 1,33 1,32 0,01 3,3BF 28 33,6 9,95 26 1,33 1,33 0,01 2,2CG 8 9,6 5,69 26 1,28 1,28 0,00 1,3CH 28 33,6 18,35 26 1,28 1,26 0,02 4,3

PCS [kcal/m3]Densidad de trabajo (d

f)

Pn [kcal/h] Q [m3/h]

l [m] le [m] Q [m3/h] P1 [bar] P

2 [bar] v [m/s]

A

25 viviendas

1,2 barF

28 m

50 viviendas

1,2 barH

28 m

C40 m

B120 m

1,5 bar

40 viviendas

1,2 barE

20 m

Restaurante140000 kcal/h

1,2 barG

8 m

Depósito

los los fabricantes proporcionan el diámetro exterior y un parámetro denominado SDR (“Standard

Dimension Ratio”) que determina el espesor para una serie de presiones mediante el establecimiento

de la relación entre el diámetro y el espesor.

De este modo, se tiene que ya que el espesor viene dado por e=DexSDR

, la sección útil

(diámetro interior del tubo) vendrá dada por:

D=Dex−2e

Así, para tuberías de polietileno comerciales en MPB se utilizan tubos con SDR = 11, siendo

sus diámetros normalizados:

Dext [mm]

Tubería de polietileno 80SDR = 11 MPB [pmax= 4 bar] 16, 20, 32, 40, 63, 90, 110, 160, 200

9

4. Anexo

4.1 Puesta en servicio

Para la puesta en servicio de la instalación ha de procederse al inertizado del depósito y a la

verificación de la válvula de descarga.

El inertizado consiste en la extracción del oxígeno (aire) contenido en el depósito, mediante

la introducción de un gas inerte como el nitrógeno (N2), para garantizar que no se puedan formar

mezclas explosivas cuando se proceda al llenado del mismo.

4.2 Combustión

Para que se produzca una combustión es necesario la presencia en cantidades adecuadas de

una mezcla de combustible y comburente, siendo este último el que aporta el oxígeno necesario

para la combustión (normalmente aire atmosférico).

Además, para que la combustión tenga lugar debe aportarse una determinada cantidad de

energía para la activación de la reacción de combustión.

Para que una reacción sea completa, como mínimo3, el combustible y el comburente deben

estar mezclados en su cantidad estequiométrica, de manera que todo el carbono presente en el

combustible reaccione con el oxígeno (O2) para dar dióxido de carbono (CO2). Si no existe una

cantidad suficiente de oxígeno se produce monóxido de carbono (CO) y la combustión es incompleta,

con lo que no se aprovechará todo el combustible y además se producirá un gas tóxico como el CO.

El aire ambiente, al que se denomina aire húmedo, se encuentra formado por una mezcla de

gases (aire seco) y una cierta cantidad de vapor de agua, a la que conocemos como humedad. De ese

aire, el seco se encuentra formado por una mezcla de gases con multitud de especies diferentes, de

las cuales el nitrógeno y el oxígeno representan en torno al 98%. Debido a esto, a efectos del estudio

de la combustión se considera que el aire seco está formado por un 21% O2 y un 79% N2,y que se

comporta como gas ideal, dado que las combustiones se realizan a bajas presiones (en torno a la

atmosférica). De este modo se tiene que para cada mol de O2 que se desee aportar se necesitará

introducir un total de 4,76 moles de aire seco.

a (O2 + 3,76 N2) [aire seco]

3 Aunque con combustibles sólidos y líquidos se emplea exceso de aire para producir la combustión completa, con combustibles gaseosos, gracias a su facilidad de mezcla con el aire, la cantidad es prácticamente estequiométrica.

10

4.3 Poder calorífico

Todo combustible viene caracterizado por un determinado poder calorífico (PC), dado que es

la cantidad de energía que libera en forma de calor durante su combustión.

Debido a las condiciones particulares de cada combustión se diferencia entre:

– Poder calorífico superior (PCS): calor liberado en la combustión completa de un

combustible, estando reactivos y productos a la misma temperatura (0 ºC) y por lo tanto con

el agua formada en estado líquido.

– Poder calorífico inferior (PCI): calor liberado en la combustión completa de un combustible

con el agua formada en estado vapor.

En el caso de combustibles sólidos y líquidos el PCS no resulta representativo en la práctica,

dado que debido a sus contenidos en azufre, para evitar la formación de sulfúrico que condense en

las chimeneas, la temperatura de salida de los humos está por encima de la de vaporización del agua,

y por tanto el agua contenida en estos y resultado de la combustión se encuentra en estado vapor,

con lo que arrastrará parte de la energía térmica en forma de calor latente.

4.4 Inflamabilidad

La inflamabilidad es la tendencia a arder de un combustible, con lo que una mezcla será

inflamable cuando la llama se pueda propagar de unos puntos a otros.

Se distingue entre temperatura de inflamación e ignición dado que mientras que la primera

es la menor temperatura a la cual una mezcla de aire combustible se inflama en presencia de una

llama, sólo la segunda permite que arda de forma autosostenida, con lo que en el primer caso la

mezcla dejará de arder cuando se le retire la llama.

De la definición de estas dos temperaturas se concluye la necesidad de definir unos

determinados límites de inflamabilidad que permitan garantizar que mientras que fuera de la

caldera, una posible mezcla, nunca alcance la temperatura de inflamación, dentro de ella, supere la

temperatura de ignición.

4.5 Intercambiabilidad

Con la constante variación de los precios de los combustibles suele ser interesante evaluar la

intercambiabilidad de dos gases combustibles, entendida como la posibilidad de operar en las

mismas condiciones y con el mismo equipo pero con una mezcla combustible diferente.

Dos combustibles gaseosos son intercambiables si se mantienen las mismas condiciones de

combustión, que vienen dadas por el gasto calorífico, función del índice de Wobbe, y la estabilidad de

llama, relacionada con el potencial de combustión.

11

Con esos dos valores se comprueba que no se puedan dar durante la combustión los

problemas de retorno de llama, de desprendimiento de llama y de combustión incompleta (no

higiénica).

4.6 Mezclas de gases

Dado que la mayoría de los combustibles están formados por mezclas gaseosas, cuando se

encuentran a presiones bajas se pueden considerar gases ideales, de tal modo que:

– El poder calorífico superior de la mezcla vendrá dado como PCS=∑ X i⋅PCS i .

– La densidad relativa de la mezcla es la que se obtiene como d r=∑ X i⋅d ri , siendo las

densidades relativas, por tratarse de gases, las medidas respecto al aire bajo las mismas

condiciones, de tal modo que d r=d combd aire

.

– La presión total ( PT ) ejercida por una mezcla de gases sobre las paredes de un recipiente

es la suma de las presiones parciales (presiones que ejercería cada componente de la mezcla

por separado si estuviera a la temperatura y volumen de la mezcla) de los gases de la mezcla

( PT=∑ P i ). Donde la presión parcial ( P i ), o contribución de cada componente a la

presión total de la mezcla, viene dada por la fracción molar del gas, de tal modo que:

P i=X i⋅PT

Siendo la fracción molar de cada uno de los gases X i=n inT

, que viene dada por el

número de moles del gas i ( n i ) y el número de moles totales de la mezcla ( nT ).

12

ReferenciasNormativa

RD 919/2006 .– Reglamento técnico de distribución y utilización de combustibles gaseosos.

ITC – ICG 03 .– Instalaciones de almacenamiento de gases licuados del petróleo en depósitos fijos.

Catálogos

Catálogo de depósitos de GLP, Lapesa.

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