tesis completa 12-10-2011l
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INETRCAMBIADOR DE PLACASTRANSCRIPT
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TESIS
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1. INTRODUCCION
1.1 OBJETIVO GENERAL ….…………………………..…………………… 1
1.2 OBJETIVOS ESPECIFICOS …..……………………………………………..... 2
1.3 ALCANCES …..…………………………………………………………………3
2. CONCEPTOS GENERALES
2.1 CONCEPTOS BASICOS EN CENTRALES TERMICAS PARA LA PRODUCCION DE AGUA CALIENTE SANITARIA (ACS) Y CALEFACCION………………………………………………………………….. 4
2.2 TIPOS DE CALDERA EMPLEADAS EN LA GENERACION DE CALOR PARA HOTELES………………………………………………………………… 5
2.3 TIPOS DE QUEMADORES Y COMBUSTIBLES EMPLEADOS PARA GENERACION DE CALOR (GAS NATURAL, GAS LICUADO, PETROLEO) …………………………………………………………………… 6
2.4 EFICIENCIA ENERGETICA EN LA TRANSFERENCIA DE CALOR EN INTERCAMBIADORES …………….……………………………………..……. 7
2.5 ACUMULADORES DE AGUA CALIENTE SANITARIA Y MEDIDAS DE PROTECCION PARA LA CORROSION. SANITIDAD BACTERIANA DEL AGUA …………………………………………………………………………….. 8
3. DESARROLLO Y ESTUDIO DEL PROYECTO
3.1 LEVANTAMIENTO Y ANALISIS DEL SISTEMA DE CALEFACCION Y AGUA CALIENTE SANITARIA EXISTENTE , ESPECIFICACIONES TECNICAS DE LOS EQUIPOS INSTALADOS EN EL HOTEL……………9
3.2 PLANTEAMIENTO DEL PROBLEMA………………………..…………….. 10
3.3 REQUERIMIENTOS TECNICOS EXISTENTES…………..……………… 11
3.4 SOLUCION PROYECTADA PARA LA DEMANDA ACTUAL DE AGUA CALIENTE SANITARIA ……………………………………………..…….… 12
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3.5 CALCULOS …………………………….………………….…...…………….. 13
3.5.1 CONSUMO TOTAL DE AGUA REQUERIDA EN LAS HABITACIONES, SERVICIOS COMUNES Y LAVANDERIA …...14
3.5.2 CAPACIDAD DE CALOR A GENERAR ………………….……15
3.5.3 CAPACIDAD DE ACUMULACION….….……………………………16
3.5.4 CALCULO Y SELECCIÓN DEL NUEVO INTERCAMBIADOR DE CALOR PARA SATISFACER DEMANDA REQUERIDA……..…..17
3.6 DIMENSIONAMIENTO Y SELECCION DE EQUIPOS…….……………… 18
4. ESTUDIO ECONOMICO DEL PROYECTO
4.1 COSTO TOTAL DEL NUEVO SISTEMA A IMPLEMENTAR …..…..….….…. 20
5. ANALISIS Y CONCLUSIONES
6. BIBLIOGRAFIA
7. APENDICEPLANOSCATALOGOSCOTIZACIONES ESPECIFICACIONES TECNICAS
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1. INTRODUCCION
1.1. OBJETIVO GENERAL
El presente estudio tiene como objetivo principal mejorar la producción de agua caliente a razón de mayor demanda en el hotel.
1.2 OBJETIVOS ESPECIFICOS
1.2.1 Levantamiento de equipos existentes en la central térmica del hotel.1.2.2 Carga térmica del edificio1.2.3 Antecedentes de consumos requeridos de ACS de las distintas
dependencias.1.2.4 Evaluación de la producción de ACS actual.1.2.5 Búsqueda de mejorías para el sistema de ACS.1.2.6 Implementar el sistema de mayor eficiencia energética y técnica
económica.
1.3 ALCANCES
El siguiente estudio ha solicitado resolver el problema existente con la producción de agua caliente sanitaria para un hotel de la región metropolitana. Esto debido a la ampliación de habitaciones y la incorporación de una lavandería para el hotel, lo que ha dado como resultado un elevado consumo, por lo que la instalación que está en uso no logra cumplir las necesidades de suministro.
El estudio comprende el cálculo de las pérdidas de calor del edificio y un levantamiento de los equipos y unidades que componen la central térmica.
Desarrollaremos el cálculo de capacidades y las tolerancias adecuadas. Con los datos obtenidos se evalúa la disponibilidad de calor generado a utilizar para la implementación de equipos de mayor eficiencia que optimizará el abastecimiento de agua adecuado para las dependencias descritas.
Se realizará levantamiento de las habitaciones con plano de planta tipo, el cual nos permitirá evaluar la carga térmica del edificio y visualizar las condiciones solicitadas para la implementación de los nuevos equipos destinados a la producción de ACS, manteniendo la instalación original, aprovechando la energía existente entregada por la central térmica, para alcanzar el máximo de transferencia de calor con el mínimo de recursos.
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2. CONCEPTOS GENERALES
2.1 CONCEPTOS BASICOS EN CENTRALES TERMICAS PARA LA PRODUCCION DE AGUA CALIENTE SANITARIA (ACS) Y CALEFACCION
Generación de Agua Caliente Sanitaria
La generación de agua caliente sanitaria es el proceso por el cual el agua se calienta para ser utilizada en baños, cocina y lavaderos.
La generación de agua caliente se logra por medio de artefactos individuales o centrales térmicas, que en algunos casos es la misma que provee calefacción a la edificación, compuestas por una caldera de agua caliente, quemador de combustible, bombas recirculadoras de agua, circuitos de calefacción, circuito para calentamiento del agua, estanques acumuladores de agua, intercambiadores de calor, vasos de expansión sanitarios como para calefacción.
Climatización
La Climatización es el proceso por el cual se da a un espacio cerrado las condiciones de temperatura, humedad relativa, pureza del aire y a veces presión, necesarias para el bienestar de las personas, conservación de productos, aplicaciones industriales y comerciales. La climatización comprende las áreas de calefacción, ventilación y aire acondicionado.
La Climatización es un factor determinante en el bienestar de los usuarios de una edificación y está directamente relacionada con el rendimiento de las personas en su trabajo.
Esta especialidad genera un consumo energético entre el 40% y el 60% del total del consumo de energía de un edifico.
Proyecto Integral
Dada la situación energética mundial y la necesidad de proteger el medio ambiente, la industria de la construcción debe desarrollar los proyectos en forma integral, en los que se incorporen criterios de ahorro de energía y cuidado del medio ambiente en las etapas de diseño, construcción, operación y mantención de las edificaciones.
Para lograr el objetivo de reducción de consumo de energía y protección del medio ambiente, se requiere de la integración de todas las especialidades desde la etapa de anteproyecto de una edificación.
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Consideraciones que debe tener un proyecto de Instalaciones Térmicas
Bienestar Térmico e Higiene
Las instalaciones de Climatización y Generación de Agua Caliente, tiene como objetivo principal la obtención de un ambiente interior aceptable para el ser humano en términos de confort y salubridad, durante el desarrollo de sus actividades.
Los parámetros de confort normalmente utilizados son los siguientes:
InviernoTemperatura interior : 20ºCHumedad relativa : 50 %
VeranoTemperatura interior : 24 ºCHumedad relativa : 50 %
Además se debe considerar la renovación del aire del recinto dependiendo de la aplicación.
Seguridad
Las instalaciones deben cumplir con las exigencias de seguridad en lo relativo a instalaciones eléctricas, instalaciones de combustibles líquidos o gas, instalaciones y aparatos a presión y protección contra incendio.
Además, se deben considerar las medidas de seguridad para efectuar la mantención de los equipos.
Demanda Energética
Una instalación de Climatización o Generación de Agua Caliente debe optimizar la demanda energética, la que está condicionada por un gran número de factores de la edificación, tales como: calidad térmica de la envolvente, distribución de los espacios interiores, cargas térmicas interiores, criterios de explotación; y otros factores que depende del proyecto de Climatización tales como: zonificación de espacios, flexibilidad de funcionamiento y orientación.
Consumo energético
Los proyectos deben tender a optimizar la eficiencia del sistema desde el punto de vista del consumo de energía.
El consumo de energía convencional depende de: la eficiencia de los equipos utilizados, la utilización de energías residuales, la utilización de energías procedentes de fuentes gratuitas, del empleo de plantas de cogeneración, sistemas de control centralizado (inteligentes) y del sistema de enfriamiento evaporativo.
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Condiciones para la mantención
El proyecto debe entregar condiciones de accesibilidad y facilidades para efectuar la mantención de los equipos durante su vida útil y mantener en el tiempo su rendimiento.
Etapas de un proyecto de Instalaciones Térmicas
Selección de proyectista
Los proyectos deben ser realizados por un profesional de la Ingeniería con experiencia comprobable en el ámbito de la Climatización.
Es de vital importancia esta etapa de selección, ya que los proyectos no son revisados por entidades oficiales o por revisores independientes.
Proyecto
El diseño de las instalaciones debe basarse en las condiciones interiores, condiciones exteriores, estimación adecuada de la funcionalidad perseguida, uso racional de la energía, seguridad en la operación y mantención y protección del medio ambiente.
Selección de equipos y materiales
Los equipos y materiales a utilizar en el sistema deben cumplir con las Normas Chilenas o en su defecto con las normas UNE o alguna norma internacional reconocida. En el caso de Calderas éstas se deben regir además por la reglamentación vigente en la SEC.
Ejecución de las instalaciones
La instalación debe ser ejecutada por empresas de especialidades de acuerdo a normas y reglamentaciones vigentes, cumpliendo con las especificaciones del proyecto. Las instalaciones se pueden dividir en: cañerías y accesorios, conductos y accesorios, montaje de equipos, conexiones eléctricas y de agua.
GENERACION DE AGUA CALIENTE SANITARIA
Existen varios sistemas de generación de agua caliente. La utilización de cada uno de ellos está definida por las condiciones de uso y volumen de agua requerido. Estos se pueden agrupar en sistemas de generación individual o centralizada.
Generación individual
Existen sistemas individuales de baja potencia para la generación de agua caliente. Estos sistemas están formados por uno o más artefactos que en general pueden abastecer a una vivienda, un local comercial o una oficina individual, como el calefón.
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Termo Acumulador
Artefacto diseñado para calentar agua y acumularla para la provisión de agua caliente para uso sanitario. Puede abastecer uno o varios artefactos; se utiliza principalmente en viviendas pequeñas o en locales comerciales y oficinas.
El combustible utilizado por estos artefactos es en general gas licuado, gas de ciudad, gas natural y electricidad.
Caldera de baja potencia
Artefactos de potencia inferior a 70 Kw. que pueden abastecer de agua caliente a una vivienda y a la vez alimentar un sistema de calefacción, pueden ser murales o apoyadas en el piso las de mayor tamaño.
Generación Centralizada
La generación centralizada de agua caliente sanitaria está destinada a satisfacer grandes consumos. Este sistema en general puede abastecer a la totalidad de viviendas de un edificio habitacional o edificaciones de alta demanda de agua caliente; por ejemplo, hospitales, hoteles, colegios, entre otros.
La generación de hace en un solo punto y desde éste abastecer todos los centros de consumo.
Este sistema esta formado por una caldera, un acumulador, un intercambiador de calor, bombas de recirculación, sistemas de seguridad y sistema de control de temperatura.
Las fuentes de energía utilizadas en las centrales térmicas entre otras son:
- Combustibles fósiles como gas licuado, gas de ciudad, gas natural, petróleo, parafina, carbón, leña;- Energía eléctrica- Energía solar
Termo acumulador de agua caliente con fuente de energía renovable combinada con no renovable.
En este sistema se puede utilizar energía solar u otro tipo de energía procedente de fuentes gratuitas y renovables con la finalidad de disminuir el uso de energía convencional.
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Sistemas de calefacción
Existen varios sistemas de calefacción. La utilización de cada uno de ellos esta definida por las condiciones de uso y superficie a calefaccionar. Estos se pueden agrupar en sistemas de generación individual o centralizado.
La generación centralizada de calefacción esta destinada a satisfacer grandes consumos. Este sistema en general puede abastecer a la totalidad de viviendas de un edificio habitacional, hospitales, colegios, entre otros. También se utiliza para calefaccionar centralizadamente una casa o vivienda.
Sistemas centralizados de calefacción
Central térmica con caldera y red de calefacción con agua
La central térmica esta compuesta por una o más calderas, chimeneas, un circuito de red de cañería.
Sistemas de aire acondicionado: Conjunto de equipos y redes de agua o aire destinados a entregar las condiciones de temperatura, humedad, pureza del aire y presión en algunos casos necesarias para el bienestar de las personas que habitan el recinto.
Existe una gran variedad de sistemas de climatización para aplicación de confort e industriales.
Centrales Térmicas
Una central térmica es una instalación compuesta con equipos que a partir del calentamiento de un flujo (generalmente agua) produce agua caliente y/o calefacción a múltiples usuarios o servicios en forma centralizada, con la energía cedida por un combustible.
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2.2 TIPOS DE CALDERA EMPLEADAS EN LA GENERACION DE ENERGIA PARAHOTELES
Las Calderas pueden clasificarse en dos grandes grupos:
Calderas de hierro fundido, seccionales.
Calderas de acero con tubos de humos (piro tubular) o tubos de agua (acua tubulares).
Las calderas de hierro fundido, normalmente rectangulares con secciones verticales o circulares con secciones horizontales y elementos que se montan en el lugar acoplado uno a uno.
Las presiones de trabajo de esta caldera son de 1 kg/cm2 para el vapor y 2 kg/cm2 para el agua caliente, 135ºC con capacidades térmicas de hasta 600.000Kcal/hora.
Las calderas de acero de tubos de humos que se destacan del tipo pirotubular y acua tubular, trabajan como generadores de vapor o calderas para agua caliente.
La caldera piro tubular o igno tubular es designada de esta manera ya que los gases de la combustión pasan a través de los tubos transfiriendo su calor al agua que envuelve el tubo.
La caldera acua tubular de lo contrario, el agua pasa a través del interior del tubo y el calor de los gases es absorbido desde la superficie exterior. Las calderas más modernas trabajan por debajo de los 17kg/cm2 y de los 10.000 kg de vapor hora.
El tipo de combustible utilizado son gas, petróleo, carbón, leña o combinaciones de éstos.
En las calderas de acua tubular pueden producir hasta 30.000 kg de vapor hora a presiones de 60 kg/cm2. Trabajan con los mismos combustibles, obstante pueden adaptarse para combustibles sólidos con mayor facilidad.
Para sistemas con gran demanda industrial como cadenas de producción alimenticia o estructural, para placas de fibras cerámicas, hospitales, equipos auto clave para la esterilización de instrumental médico, en lavanderías tablas planchadoras. El personal de operación debe ser calificado y certificado por el ministerio de salud y medio ambiente con responsabilidad legal.
La caldera de agua caliente del tipo pirotubular al tener menor requerimiento de seguridad, operación y menos restricciones legales para su uso, es la más utilizada en edificios habitacionales, clínicas, sobre todo en la producción de agua caliente y calefacción al tener menor riesgo de funcionamiento, la temperatura máxima de trabajo bordea los 90ºC, siempre en estado liquido, bajo costo operación y mantención.
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2.3 TIPOS DE QUEMADORES Y COMBUSTIBLES EMPLEADOS PARA GENERACION DE CALOR (GAS NATURAL, GAS LICUADO, PETROLEO)
Quemadores
Gas Petróleo Duales
La gama de quemadores existentes es amplia, según el sector en el que utilice, los costos de los combustibles, las restricciones ambientales, etc.. Los más comunes y utilizados en el sector doméstico son los quemadores de combustibles gaseosos tales como los usados para gas natural, gas licuado, o combustibles líquidos como petróleo Nº2 o bien conocido como petróleo diesel, también duales o mixtos (petróleo o gas) según la necesidad.
Clasificación de Quemadores a gas
Los distintos tipos de quemadores a gas se pueden dividir en tres grupos, siendo los dos últimos los más importantes:
1. Quemadores de difusión 2. Quemadores de premezcla 3. Quemadores de mezcla en boquilla
Quemadores de difusión
Consiste en un orificio que inyecta un pequeño chorro de gas al aire, donde se quema directamente con una llama de color amarillo de gran luminosidad. Se caracterizan por ser utilizados para bajos consumos, tienen poca aplicación industrial, salvo en pequeños pilotos de encendido.
Quemadores de Premezcla
En los quemadores de premezcla el gas y el aire se mezclan después que el gas sale del inyector a una cámara de premezcla, a la cual entra el aire inspirado por el gas, de manera que al salir la mezcla aire – gas por la boquilla, ésta se combustiona en la llama. Estos quemadores se utilizan mayoritariamente en aplicaciones domésticas por su excelente combustión y también en algunas aplicaciones industriales. En general, son más sencillas, de menor costo, pero no permiten un buen control de la forma e intensidad de la llama. Normalmente la mezcla contiene el aire teórico, ligeramente pobre (menos gas que el teórico) o ligeramente rica (más gas que el teórico); en este último caso, el aire adicional requerido se debe suministrar en el hogar de la caldera (aplicación industrial).
La forma de producir la mezcla en estos quemadores puede ser mediante, mezcladores del tipo inspirador, o atmosféricos, mezclador tipo aspirador o quemadores con ventilador de mezclado en donde el ventilador que mezcla el aire y el gas antecede al quemador.
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En los del tipo premezcla inspiradores el chorro de gas sale del inyector e induce una cierta cantidad de aire en el tubo de mezclado que precede a la boquilla del quemador. Se produce una combustión homogénea y estable, aplicados en cocinas y calentadores de agua domésticos.
Quemadores de premezcla tipo aspiradores, aire presurizado a través de un ventilador (o soplador) se hace pasar por un inyector (venturi) donde aspira el gas. Estos quemadores tienen características similares a los atmosféricos, pero tiene la ventaja de proporcionar una mayor presión de la mezcla, la que es del orden del 30% de la presión con que se suministra el aire. En este caso, la mínima relación está dada por la razón de las áreas del inyector de aire y de la boquilla.
Cuando la mezcla la produce un ventilador, éste aspira tanto al aire como al gas, presurizando la mezcla que suministra a el o los quemadores.
En este tipo de equipos se trata de minimizar la distancia entre el mezclador y los quemadores para reducir el riesgo que representa un volumen importante de mezcla combustión.
Quemadores de mezcla en boquilla
Fabricados tanto para gas como para petróleo y duales.
En los quemadores de mezcla en boquilla el gas y el aire se mezclan al llegar a la boquilla, que es donde se inicia la llama. Son ampliamente usados en la industria por ser más seguros para grandes capacidades y por el mejor control que ofrecen en las características de la llama. Adicionalmente, este tipo de quemadores permite una mayor estabilidad de la llama para grandes variaciones de su capacidad.
Existe una gran variedad de quemadores de mezcla en boquillas donde las principales diferencias estriban en:
1º La forma como se inyecta el gas para que se mezcle con el aire y se forme la llama.
2º La forma como se estabiliza la llama.3º La manera como se suministra el aire.
Existen quemadores de mezcla en boquilla de baja y alta temperatura.
Los quemadores de baja temperatura se refieren a los que están diseñados para ser utilizados en calderas y equipos similares donde las temperaturas dentro del hogar no son muy elevadas las que alcanzan temperaturas de 500ºC.
En quemadores de alta temperatura las que sobre pasan los 1000ºC dentro de los hogares, los tubos directores de llama necesitan tener mayor precaución ante las altas temperaturas y se fabrican de cemento refractario.
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Quemadores de Petróleo
Considerados como quemadores de mezcla en boquilla.
La variedad de quemadores de petróleo está dada según las necesidades, restricciones medioambientales y costos de implementación, pero hoy en día lo que separa la utilización de los combustibles son las emisiones de material particulado al ambiente. Dentro de los petróleos el diesel Nº2 es el más cercano.
Quemadores para petróleo Nº2
Compuestos principalmente por una bomba de desplazamiento positivo, un ventilador para el aire de mezcla, boquillas de inyección de combustible, y electrodos de ignición.
La bomba de desplazamiento positivo, movida por un motor en línea, succiona el combustible desde un contenedor a través de conductos dirigidos a la boquilla de inyección ubicada en el tubo director de llama, la boquilla cuyo orificio de diámetro diminuto diseñado para la aspersión e interior estriado, deflecta la salida del combustible y eleva la presión desde 0 a 12 bar, suficiente para atomizar en pequeñas partículas las gotas del combustible liquido.
La mezcla del aire inyectado por el ventilador se dirige por el ducto al tubo director de llama donde se producirá la mezcla mediante un disco deflector que hará girar el flujo de aire en sentido contrario del petróleo inyectado.
Para que se pueda producir una combustión completa en los combustibles líquidos es necesario pulverizar el petróleo en pequeñas gotas, de esta forma se puede realizar la mezcla con el aire.
La ignición se produce a través de unos electrodos de alto voltaje aproximadamente 8.000 a 15.000 volt.
La cantidad de boquillas determina las etapas y capacidad de operación de cada quemador.
Quemadores duales
Utilizan para un mismo equipo, combustibles petróleo o gas de mezcla en boquilla y son fabricados para operar tanto con petróleo como algún gas combustible, su variedad va de modulables y en etapas, poseen sistemas de alimentación de petróleo y gas independientes pero el suministro de aire es común para ambos combustibles.
Combustibles utilizados
Los principales combustibles utilizados hoy en día son el Gas Metano (G. Natural), Gas Licuado del petróleo (G.L.P.) y el Petróleo Nº2 (Diesel). La elección del combustible depende de las posibilidades de adquisición, limpieza, confianza, economía, condiciones de funcionamiento y control.
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Posibilidades de adquisición
La inasequible de un determinado tipo de combustible descarta de un principio su empleo.
Debe preverse la disponibilidad del combustible a largo plazo y la continuidad del suministro en casos de emergencia, así como las autoridades locales pueden prohibir el empleo de ciertos tipos de combustibles.
Confiabilidad
Se refiere a la calidad y cantidad. El hecho de que se interrumpa el suministro de gas al consumidor no será muy frecuente, pero ha ocurrido que en épocas de gran demanda como ocurre en invierno, el suministro se someta a restricciones.
No obstante si el sistema de quemador de una caldera combina la operación de dos tipos de combustibles como gas natural y petróleo como en un Dual el riesgo será menor.
Concerniente a la calidad, ésta siempre debe ser aceptable. Si la calidad varia se pueden producir perdidas de rendimiento lo cual incurrirá en gastos de funcionamiento y mantención.
Limpieza
La limpieza caracteriza a las calderas que utilizan gas o petróleo, de acuerdo a la diferencia de ambos combustibles en la emisión de material particulado a la atmósfera el gas resulta más limpio. En cuanto a la suciedad en el interior del paso de los gases el gas sigue predominando al tener menor acumulación de residuos como la ceniza o la formación de hollín resultante de una combustión incompleta.
Economía
La economía relativa de los distintos combustibles depende más de las condiciones de empleo que su poder calorífico intrínseco. El costo definitivo del vapor o calentar agua es lo que determina la economía del combustible y dependerá de:
Gastos de funcionamiento y mantención Precio del combustible Gastos de manipulación del combustible Costo del funcionamiento y mantenimiento del equipo auxiliar Gastos fijos de almacenamiento
El primer factor es común para todos los combustibles mientras que los demás pueden variar con cada tipo.
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Condiciones de funcionamiento
La condición de funcionamiento está relacionada con la plena carga exigida y el alcance respecto al combustible utilizado. Cuando el combustible se consume continuamente para equilibrar la carga térmica, pocas veces se alcanzará la máxima carga. Por este motivo se puede admitir un escaso rendimiento a plena carga, mientras que el resto del tiempo se esté trabajando con un buen rendimiento.
Inversamente, las calderas que utilizan quemadores a petróleo o gas y que funcionan de manera intermitente pueden dar un buen rendimiento si funcionan precisamente en los momentos de plena carga de la instalación.
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2.4 EFICIENCIA ENERGETICA EN LA TRANSFERENCIA DE CALOR EN INTERCAMBIADORES
El calor es una energía en tránsito, que pasa de los cuerpos de mayor temperatura a los de menor temperatura.
Un intercambiador es un equipo en el cual se produce dicha transferencia de calor, de un punto caliente a otro menos caliente en forma controlada.
Existen tres posibles tipos de transmisión de calor como la conducción – convección – radiación en los intercambiadores las más representativas son por conducción y convección.
Conducción es un mecanismo de transferencia de energía térmica entre dos sistemas basado en el contacto directo de sus partículas, sin flujo neto de materia tendiendo a equilibrar su temperatura dentro del cuerpo.
La transmisión por convección tiene lugar un desplazamiento de materia o mezcla turbulenta, que puede ser forzada (por medio de bombas o ventiladores), natural si se da de forma espontánea por diferencia de densidades.
En los equipos de intercambio de calor según la forma de transferencia puede ser de intercambio directo o indirecto, siendo los directos cuando existe una mezcla de fluidos e indirectos cuando no hay posibilidad de mezclas en los fluidos. El intercambio se realiza en una superficie.
Tipos de intercambiadores de calor según su operación
Ya que los intercambiadores de calor se presentan en muchas formas, tamaños, materiales de manufactura y modelos, estos son categorizados de acuerdo con características comunes. Una de las características comunes que se puede emplear es la dirección relativa que existe entre los dos flujos de fluido.
Las tres categorías son: Flujo paralelo, Contraflujo y Flujo cruzado.
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Flujo paralelo
Como se ilustra en la figura, existe un flujo paralelo cuando el flujo interno o de los tubos y el flujo externo o de la carcaza ambos fluyen en la misma dirección. En este caso, los dos fluidos entran al intercambiador por el mismo extremo y estos presentan una diferencia de temperatura significativa.
Como el calor se transfiere del fluido con mayor temperatura hacia el fluido de menor temperatura, la temperatura de los fluidos se aproximan la una a la otra, es decir, que uno disminuye su temperatura y el otro la aumenta tratando de alcanzar el equilibrio térmico entre ellos. Debe quedar claro que el fluido con menor temperatura nunca alcanza la temperatura del fluido más caliente.
Intercambiador de calor de flujo paralelo
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Contraflujo
Como se ilustra en la figura, se presenta un contraflujo cuando los dos fluidos fluyen en la misma dirección pero en sentido opuesto. Cada uno de los fluidos entra al intercambiador por diferentes extremos ya que el fluido con menor temperatura sale en contraflujo del intercambiador de calor en el extremo donde entra el fluido con mayor temperatura, la temperatura del fluido más frío se aproximará a la temperatura del fluido de entrada. Este tipo de intercambiador resulta ser más eficiente que los otros dos tipos mencionados anteriormente.
En contraste con el intercambiador de calor de flujo paralelo, el intercambiador de contraflujo puede presentar la temperatura más alta en el fluido frío y la más baja temperatura en el fluido caliente una vez realizada la transferencia de calor en el intercambiador
Intercambiador de Contraflujo
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Flujo cruzado
En la figura se muestra como en el intercambiador de calor de flujo cruzado uno de los fluidos fluye de manera perpendicular al otro fluido, esto es, uno de los fluidos pasa a través de tubos mientras que el otro pasa alrededor de dichos tubos formando un ángulo de 90º. Los intercambiadores de flujo cruzado son comúnmente usado donde uno de los fluidos presenta cambio de fase y por tanto se tiene un fluido pasado por el intercambiador en dos fases bifásico.
Un ejemplo típico de este tipo de intercambiador es en los sistemas de condensación de vapor, donde el vapor exhausto que sale de una turbina entra como flujo externo a la carcaza del condensador y el agua fría que fluye por los tubos absorbe el calor del vapor y éste se condensa y forma agua líquida. Se pueden condensar grandes volúmenes de vapor de agua al utilizar este tipo de intercambiador de calor.
Intercambiador de calor de flujo cruzado
En la actualidad, la mayoría de los intercambiadores de calor no son puramente de flujo paralelo, contraflujo, o flujo cruzado; estos son comúnmente una combinación de los dos o tres tipos de intercambiador. Desde luego, un intercambiador de calor real que incluye dos o los tres tipos de intercambio descritos anteriormente, resulta muy complicado de analizar.
La razón de incluir la combinación de varios tipos en uno solo, es maximizar la eficacia del intercambiador dentro de las restricciones propias del diseño, que son: tamaño, costo, peso, eficacia requerida, tipo de fluidos, temperaturas y presiones de operación, que permiten establecer la complejidad del intercambiador.
Tipos de intercambiadores de calor según su diseño
Si bien los intercambiadores de calor se presentan en una inimaginable variedad de formas y tamaños, la construcción de los intercambiadores está incluida en alguna de las siguientes categorías: carcaza y tubo envolvente y placa.
Como en cualquier dispositivo mecánico, cada uno de estos presenta ventajas o desventajas en su aplicación.
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Carcaza y tubo
La construcción más básica y común de los intercambiadores de calor es el de tipo carcaza y tubo.
Intercambiador de calor de carcasa y tubos
Este tipo de intercambiador consiste en un conjunto de tubos en un contenedor llamado carcaza.
El flujo de fluido dentro de los tubos se le denomina comúnmente flujo interno y aquel que fluye en el interior del contenedor como fluido de carcaza o fluido externo.
En los extremos de los tubos, el fluido interno es separado del fluido externo de la carcaza por la(s) placa(s) del tubo. Los tubos se sujetan o se sueldan a una placa para proporcionan un sello adecuado.
En sistemas donde los dos fluidos presentan una gran diferencia entre sus presiones, el líquido con mayor presión se hace circular típicamente a través de los tubos y el líquido con una presión más baja se circula del lado de la cáscara. Esto es debido a los costos en materiales, los tubos del intercambiador de calor se pueden fabricar para soportar presiones más altas que la cáscara del cambiador con un costo mucho más bajo.
Las placas de soporte mostradas en la figura también actúan como bafles para dirigir el flujo del líquido dentro de la cáscara hacia adelante y hacia atrás a través de los tubos.
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Intercambiadores de Calor Envolvente, Camisa o Doble cuerpo
El sistema envolvente (Tank-in-Tank) es un acumulador de agua caliente sanitaria (ACS) totalmente sumergido en un depósito externo de acero que contiene el fluido primario. En los sistemas el "Tank" interno siempre está fabricado con acero inoxidable. La propia pared del "Tank" interno es un intercambiador de calor entre el circuito primario (conectado a la caldera) y el acumulador que contiene el ACS. La caldera está conectada al circuito primario del preparador de ACS: el termostato del acumulador de ACS pone en marcha el circulador que une la caldera al preparador cuando la temperatura desciende a consecuencia de la orden programada. El calor procedente de la caldera se transmite al acumulador a través del intercambiador (la pared del “tank" interna) y calienta el ACS hasta la temperatura establecida.
Ventajas del sistema envolvente (Tank-in-Tank)
La gran superficie del intercambiador (a menudo dos veces superior a la del serpentín) permite utilizar toda la potencia de la caldera para calentar el ACS con gran rapidez. Eso evita que la caldera se detenga durante la recarga del acumulador, bloquee el sistema de calefacción y provoque varios arranques y paradas de la caldera, que podrían ser perjudiciales para el consumo de combustible y las emisiones de gas.
Placa
El intercambiador de calor de tipo placa, como se muestra en la figura, consiste de placas en lugar de tubos para separar a los dos fluidos caliente y frío. Los líquidos calientes y fríos se alternan entre cada uno de las placas y los bafles dirigen el flujo del líquido entre las placas, ya que cada una de las placas tiene un área superficial muy grande, las placas proveen un área extremadamente grande de transferencia de térmica a cada uno de los líquidos, por lo tanto, un intercambiador de placa es capaz de transferir mucho más calor con respecto a un intercambiador de carcaza y tubos con volumen semejante, esto es debido a que las placas proporcionan una mayor área que la de los tubos.
El intercambiador de calor de placa, debido a la alta eficacia en la transferencia de calor, es mucho más pequeño que el de carcaza y tubos para la misma capacidad de intercambio de calor.
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Intercambiador de calor de tipo placa
Ventajas de la eficiencia
Elevados valores del coeficiente de transmisión superficial, lo que conlleva valores muy elevados del coeficiente global de transmisión de calor.
Menores perdidas caloríficas, ya que solo los bordes de las placas están expuestas al ambiente exterior, además tienen pequeños espesores que pueden aislarse fácilmente.
Menor espacio necesario que otros tipos de cambiadores dada su elevada relación superficie de intercambio/volumen total, lo que supone que la cantidad de líquido contenido por unidad de superficie de intercambio es muy baja en comparación con otros intercambiadores.
Fácil accesibilidad a ambas caras de cada placa, lo que permite una mejor inspección y limpieza, que puede realizarse en el mismo lugar de su emplazamiento.
En el caso de deterioro de las juntas, se produce escape de fluido hacia el exterior, siendo posible repararlas inmediatamente, evitándose mezclas o contaminaciones.
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2.5 ACUMULADORES DE AGUA CALIENTE SANITARIA Y MEDIDAS DE PROTECCION PARA LA CORROSION. SANITIDAD BACTERIANA DEL AGUA
CORROSION DEL DEPÓSITO
La Corrosión
La velocidad con que se produce la corrosión se suele indicar por la pérdida de peso por unidad de superficie en un tiempo, o por la profundidad del metal atacado por la corrosión en un tiempo.
En algunas circunstancias, la velocidad de corrosión queda frenada, ya que se forma una película superficial de un compuesto del metal y eso impide el desarrollo de la reacción, entonces se dice que el metal está pasivado.
La corrosión galvanica se produce al formarse un ánodo y un cátodo en un metal que este en contacto con un electrolito (por ejemplo el agua), o entre dos metales de potencial diferente (una forma de evitar este último caso es montar manguitos antielectroliticos entre el acumulador y las tuberías si son de metales diferentes).
Otro tipo de corrosión bastante común es la intercristalina localizada normalmente a lo largo de las uniones que constituyen las soldaduras, sobre todo en depósitos de acero inoxidable.
La corrosión por picaduras, consiste en un ataque local que llega rápidamente a atravesar el metal. Suele ser habitual en los aceros inoxidables dependiendo del contenido de cloruros y también de la calidad del inoxidable y del proceso de soldadura.
La corrosión bajo tensión afecta habitualmente a los aceros austeniticos incluso con pequeñas cantidades de cloruros y ataca normalmente las zonas que han sufrido una tensión durante el proceso de fabricación (moldurado, embutición y, por supuesto, soldaduras).
En los depósitos protegidos con vidrios o esmalte es frecuente que se presenten discontinuidades en su aplicación, por ejemplo hendiduras, grietas, poros o incluso la no renovación del ánodo de sacrificio. Esto suele provocar perforaciones inmediatas de los depósitos.
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La incrustación
Existe distintos tipos de residuos en un depósito de agua caliente.
La sedimentación es la materia (arena, barro, etc.) que entra en el depósito con el agua de alimentación y sedimenta en el fondo. No presenta problemas importantes.
El lodo es una deposición calcárea con menos adherencia y blando que se forma por la precipitación de carbonatos durante los ciclos de calentamiento de agua. En zonas con flujo de calor alto puede endurecerse.
La incrustación consiste en un residuo calcáreo adherente y duro que resulta de la nucleación y crecimiento de cristales en las superficies de transmisión de calor. Es habitual en aguas duras y superficies donde se transfiere el calor a temperaturas mas altas y las consecuencias inciden gravemente en la vida de los acumuladores.
La floculación es un residuo coloidal, gelatinoso y que aparece por la destrucción del ánodo de sacrificio.
Los residuos que se han descrito y la incrustación tienen su influencia en la vida de los acumuladores de agua caliente y también en las prestaciones y eficacia.
Las incrustaciones generan ruidos en el acumulador, perdida en la transmisión de calor al agua y, en consecuencia, mayor consumo de energía y mayores gastos.
Cuando los residuos son considerables la vida del acumulador se reduce considerablemente, también al producirse un aumento de residuos se reduce la capacidad útil del acumulador y, en consecuencia, produce menos agua caliente.
Para eliminar la incrustación la forma típica es a base de tratamientos químicos (ablandadores, fosfatos, etc.), no es posible por medios mecánicos en el acumulador (moldurado, embuticiones).
Factores que influyen en la calidad del agua
Algunos de los factores que influyen en la calidad del agua son descritos seguidamente:
Valor pH
Indica el contenido de iones de hidrogeno. A mayor numero de iones de hidrogeno resulta mayor acidez del agua y valor pH más bajo.
Agua con valores de pH pequeños son agresivas y disuelven otros metales.
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Dureza total
La dureza total o grado hidrotimétrico TH, corresponde al contenido total de sales solubles de calcio y magnesio. La forma más extendida de expresar el valor de la dureza temporal es en grados alemanes (dH).
Aguas semiduras (5-10 dH) forman una capa protectora sobre la superficie en contacto con el agua.
Aguas blandas (0-2 dH) no constituyen ninguna capa protectora sobre la superficie metálica, y en este caso el dióxido de carbono disuelto en el agua ataca el metal.
El agua dura (> 10 dH) provoca sedimentos que se ven considerablemente incrementados con el aumento de la temperatura.
Dióxido de carbono
Es la parte del ácido carbónico que presenta propiedades agresivas. Se considera el dióxido de carbono como agresivo en combinación con valores pequeños de pH y valores de dureza, resultando agua agresiva.
Hierro
Contenidos de hierro del orden de 0,2 mg/l son importantes. El hierro proporciona al agua un coloramiento amarillo. Altos contenidos de hierro provocan manchas oscuras en la colada y la deposición de hierro en las condiciones de agua y acumuladores. A mayor temperatura mayor tendencia a la deposición de hierro.
Manganeso
El manganeso presenta efectos similares al hierro pero los mismos aparecen ya con contenidos pequeños de metal.
Cloruros
Alto contenido de cloruros (> 100 mg/l) equivale a agua agresiva con lo que resultan, por ejemplo, afectados los aceros inoxidables.
Conductividad
Es el valor del contenido de sales disueltas de cloruros y sulfatos.
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Sistemas de protección
Los sistemas más aplicados como protección frente a los agentes corrosivos del agua en acumuladores son: el cobre, el vitrificado y el acero inoxidable.
Normalmente se suelen aplicar uno u otro sistema indiscriminadamente sea cual sea el tipo de agua a utilizar, omitiéndose las especiales características de alguno de los sistemas de protección que sin duda ofrecen un mejor comportamiento frente a un determinado tipo de agua.
El cobre
Este sistema de protección es utilizado de una forma peculiar, ya que el tanque de cobre está forrado por un tanque de acero.El tanque de cobre está construido mediante láminas de espesor 0,4 – 0,7 mm.
El tanque de acero confiere sus propiedades de resistencia a la presión (soporta presiones de trabajo de hasta 10 bar), y el tanque de cobre sus propiedades de resistencia a la corrosión.
El cobre es un metal semi-noble y resiste frente a la mayoría de tipos de aguas. Los acumuladores de agua construidos con cobre están exentos del servicio de mantenimiento y no precisan ánodo de protección.
Las aguas de las que disponen presentan en general concentraciones de ion hidrogeno por encima de 7,0 con algunas excepciones con valores de 6,5.
En general, el problema que presentan las aguas radica en la dureza total y la concentración de cloruros.
Todos los materiales tienen limitaciones de uso; sin embargo, el cobre ofrece una combinación de propiedades que lo hacen único.
De hecho, el cobre es el material por excelencia usado en las instalaciones de calefacción y agua caliente sanitaria y es conocido por su excelente resistencia a la corrosión.
El vitrificado
El vitrificado consiste en un compuesto de vidrio que es aplicado en el interior del tanque. Para conseguir la máxima adherencia del vidrio al acero debe aplicarse primero una capa de níquel. Para conseguir buena resistencia a la corrosión debe darse dos capas de vitrificado.
Algunos vitrificados presentan grandes desventajas que no pueden ser apreciadas de inmediato pero que hacen su presencia al poco tiempo de estar instalados los aparatos.
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Por ejemplo:
Pequeña adherencia del vitrificado al acero del tanque. Superficie del vitrificado discontinua e irregular. Poros. El ánodo
Un tanque correctamente vitrificado puede presentar en su superficie micro poros a través de los cuales el agua puede entrar en contacto con el acero del tanque.
Una forma de prevenir la posible corrosión en dichas partes de la superficie de acero del tanque es a base de un ánodo de protección.
El material del ánodo suele ser magnesio. Al disolverse el magnesio los micro poros quedan cubiertos por componentes de calcio y magnesio.
La velocidad con que se disuelve el magnesio depende de algunas sustancias del agua y también de la temperatura de la misma. Por ejemplo, el alto contenido de cloruros (alto contenido de sales que incrementa la conductividad del agua), es un factor que contribuye a la rápida disolución del ánodo de magnesio. Cuando el ánodo se ha extinguido existe un alto riesgo de corrosión en el tanque. Es, por lo tanto, imperativo controlar periódicamente el estado del ánodo de magnesio y sustituirlo cuando proceda.
Es preciso asegurarse que el ánodo de magnesio estará activo para ser sacrificado, para ello la conductividad excederá de 60 uS/cm (microSievers/centímetro). Cuando la conductividad sea extremadamente pequeña se instalara un ánodo de corriente directa (ánodo permanente).
En aguas con contenidos de sulfuros se produce en algunos casos olores. El problema se soluciona sustituyendo el ánodo de magnesio por un ánodo de cinc.
El acero comúnmente utilizado en los tanques para agua caliente es el ferritico. El acero ferritico esta compuesto, entre otros, por un 18% de cromo y un 2% de molibdeno, pero carece de níquel. Debido al contenido de cromo la superficie es pasivada y adquiere una capa de óxidos.
Este fenómeno es la razón principal de protección frente a la corrosión.
Los aceros inoxidables (austeniticos), contienen importantes cantidades de níquel y presentan una buena protección frente a la corrosión. Sin embargo, posee algunos problemas de consideración, ya que los tipos de austeniticos normalmente utilizados carecen tanto de cobre como de nitrógeno. Otro problema es el coste, ya que el níquel tiene un precio elevado y en constante alza. Y, quizá el problema más grave es el proceso de soldadura, sumamente complicado y que constituye un punto demasiado débil, lo que añadido a una construcción de tanque de doble envolvente aún magnifica el problema, al provocarse corrosión por picaduras.
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Este material es muy sensible en aguas con alto contenido de cloruros (> 100 mg/l) que provoca corrosión por picaduras. También presenta inconvenientes en su aplicación en aguas con valores pH ácidos. Altos contenidos de cloruros combinados con compuestos de calcio presentan un medio agresivo para este tipo de material.
Estos acumuladores se suelen proteger, en la medida de lo posible, con protecciones catódicas de corriente directa, lo que supone un accesorio muy caro para el usuario, y cuando surge la necesidad de ponerlo ya es demasiado tarde.
SANITIDAD BACTERIANA EN A.C.S
La legionelosis es una enfermedad bacteriana de origen ambiental que suele presentar dos formas clínicas diferenciadas: la infección pulmonar o “Enfermedad del Legionario” , que se caracteriza por neumonía con fiebre alta, y la forma no neumónica, conocida como “Fiebre de Pontiac”, que se manifiesta como un síndrome febril agudo y de pronóstico leve.
La infección por Legionella puede ser adquirida en dos ámbitos, el comunitario y el hospitalario. En ambos casos la enfermedad puede estar asociada a varios tipos de instalaciones, equipos y edificios. Puede presentarse en forma de brotes y casos aislados o esporádicos.
La Legionella es una bacteria ambiental capaz de sobrevivir en un amplio intervalo de condiciones físico-químicas, multiplicándose entre 20ºC y 45ºC, destruyéndose a 70ºC. Su temperatura óptima de crecimiento es 35-37ºC. Su nicho ecológico natural son las aguas superficiales, como lagos, ríos, estanques, formando parte de su flora bacteriana.
Desde estos reservorios naturales la bacteria puede colonizar los sistemas de abastecimiento de las ciudades y, a través de la red de distribución de agua, se incorpora a los sistemas de agua sanitaria (fría o caliente) u otros sistemas que requieren agua para su funcionamiento como las torres de refrigeración. En algunas ocasiones, en estas instalaciones, mal diseñadas, sin mantenimiento o con un mantenimiento inadecuado, se favorece el estancamiento del agua y la acumulación de productos nutrientes de la bacteria, como lodos, materia orgánica, materias de corrosión y amebas, formando una biocapa. La presencia de esta biocapa, junto a una temperatura propicia, explica la multiplicación de Legionella hasta concentraciones infectantes para el ser humano. Si existe en la instalación un mecanismo productor de aerosoles, la bacteria puede dispersarse en el aire. Las gotas de agua que contienen la bacteria pueden permanecer suspendidas en el aire y penetrar por inhalación en el aparato respiratorio.
Las instalaciones que con mayor frecuencia se encuentran contaminadas con Legionella y han sido identificadas como fuentes de infección son los sistemas de distribución de agua sanitaria, caliente y fría y los equipos de enfriamiento de agua evaporativos, tales como las torres de refrigeración y los condensadores evaporativos, tanto en centros sanitarios como en hoteles u otro tipo de edificios.
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Medidas preventivas: Principios generales
Las medidas preventivas se basarán en la aplicación de dos principios fundamentales: primero, la eliminación o reducción de zonas sucias mediante un buen diseño y el mantenimiento de las instalaciones y segundo evitando las condiciones que favorecen la supervivencia y multiplicación de Legionella, mediante el control de la temperatura del agua y la desinfección continua de la misma.
La instalación interior de agua de consumo humano deberá:
Garantizar la total estanqueidad y la correcta circulación del agua, evitando su estancamiento, así como disponer de suficientes puntos de purga para vaciar completamente la instalación, que estarán dimensionados para permitir la eliminación completa de los sedimentos.
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3. DESARROLLO Y ESTUDIO DEL PROYECTO
3.1. LEVANTAMIENTO Y ANALISIS DEL SISTEMA DE CALEFACCION Y AGUA CALIENTE SANITARIA EXISTENTE, ESPECIFICACIONES TECNICAS DE LOS EQUIPOS INSTALADOS EN EL HOTEL
El hotel esta ubicado en la región metropolitana, comuna de Providencia. La edificación esta compuesta por siete pisos más dos subterráneos.
En el nivel -2, esta ubicada la lavandería y la sala de almacenamiento de agua caliente sanitaria (boiler) y estanque de petróleo.
En el nivel -1 se encuentra la central térmica, comedor de servicios, baños personal, cocina hotel.
El primer piso se divide en la recepción y restorant, salas de entretención.
Desde el 2° al 7° piso, se encuentran distribuidas las 82 habitaciones.
El sistema actual está diseñado para entregar calefacción centralizada y a la vez producir agua caliente sanitaria.
El sistema para calefaccionar el hotel cuenta con equipos FAN-COIL. Estos están distribuidos en las habitaciones, poseen un termostato que controla la demanda de calor a la temperatura ambiente deseada, cerrando el paso del agua de calefacción proveniente de la central térmica y un ventilador centrífugo de tres velocidades con el cual controla el flujo de aire forzado a la habitación.
Nuestro proyecto está enfocado solamente a mejorar la producción de ACS.
El agua caliente sanitaria es almacenada en dos contenedores cilíndricos de 3000 litros cada uno. Acumulada a 60ºC eleva su temperatura por medio de un intercambiador de calor del tipo banco de tubos. Entrega el calor para elevar la temperatura del agua desde 10ºC hasta 60ºC, las que se distribuyen a las 82 habitaciones del hotel más servicios y lavandería.
Ambos circuitos componen el sistema y funcionan los dos a la vez.
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Especificaciones Técnicas de la Central Térmica
2 calderas del tipo seccionalMarca : SIMEModelo : 2RCapacidad térmica útil: 126.000 Kcal/Hr
2 quemadores de petróleo Nº 2 (Diesel)Marca : RIELLOModelo : 40G20Capacidad térmica nominal: 200.000 Kcal/Hr (conseguir)
2 bombas de circulación de calefacción habitacionesMarca : VOGTModelo : 1 ½ “, conseguir capacidad
2 bombas de circulación de calefacción I.C. cilindros A.C.S.Marca : DABModelo : A50/180 X
2 vasos de expansión de calefacciónMarca : CIMMEModelo : 200L
2 cilindros o Boiler de ACSMarca : Nacional FabricaciónModelo : (vertical con I.C. banco de tubos)Cap. : 3000 lts.
3.2. PLANTEAMIENTO DEL PROBLEMA
El sistema existente para la producción de ACS del hotel no alcanza a cumplir la demanda actual. El hotel amplió su capacidad de 63 a 82 habitaciones y agregó el servicio de lavandería conservando la misma central térmica.
Al evaluar el problema concerniente a la provisión de agua caliente para el consumo habitual del hotel, este se puede describir en dos etapas.
En primer lugar, el estado inicial del boiler de posición vertical presenta una desventaja por su diseño.
En el estado inicial, esto es cuando no hay consumo durante la noche, el boiler de posición vertical alcanza una temperatura de acumulación de 60°C, solamente en la parte superior, mientras que en la parte inferior de este se mantiene entorno a los 20°C, formándose capas de temperatura de acumulación dentro del estanque, lo que se conoce como estratificación del agua por efecto de su densidad. Esto produce que la temperatura total del agua contenida no esta a 60°C, sino que solamente una parte, esto disminuye la capacidad de almacenamiento.
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En segundo lugar (según lo observado), cuando comienza la hora de mayor consumo, entre las 6:00 y las 9:00 de la mañana, la temperatura del agua almacenada comienza a descender rápidamente desde los 60°C a 30°C en un tiempo de 2 horas.
La lavandería empieza su operación desde las 8:30 a 17:00 hrs., por lo siguiente la producción de agua caliente del boiler no eleva la temperatura durante todo el día.
la instalación actual de intercambio de calor para la producción de agua caliente de los boiler esta compuesta por un intercambiador de banco de tubos, la que no presenta anomalías hasta que en el hotel aumento la demanda y sobrepaso las tolerancias de diseño del proyecto original. Como este es un acumulador con intercambiador de calor de Banco de tubos, el incremento de agua fría sanitaria con la acumulada, empeora la situación, lo que se describe en la etapa más adelante.
Mediciones experimentales
Para describir estos síntomas de la instalación se procedió a realizar mediciones de consumos de A.C.S. de las habitaciones, lavandería, medición de caudal en un tiempo determinado, temperaturas de entrada y salida en uno de los intercambiadores y por medio de estos datos saber la potencia de intercambio de calor entregado por el banco de tubos.
Procedimiento utilizado:
1. Medición de consumo por habitación.2. Medición de consumo por lavandería diario.3. Medición de caudal en el I.C. de banco de tubos.
1. Mediante datos estadísticos obtenidos en el hotel de las 82 habitaciones y según la ocupación de 140 pasajeros promedio diaria durante el mes. Resultó un consumo día de 14.000 litros de agua caliente (comparado con los datos recopilados en la Norma Chilena cuyo consumo por persona es de 10 L/min. de agua caliente en un tiempo estimado por ducha de 10 minutos, sin considerar otros artefactos).
2. La lavandería consta de tres lavadoras industriales, cuyo consumo por lavados y enjuagues alcanza a un total de 100 L por unidad, los programas de lavado utilizados por el personal a cargo son de 8 diarios por maquina. El consumo como resultado es de 2400L/día.
3. Se realizaron mediciones en el circuito primario de calefacción en el intercambiador de calor correspondientes al cilindro de agua caliente Nº1, instalando un medidor de caudal volumétrico en la entrada, sensores de temperatura de surtidor y retorno del agua de calefacción, considerando la densidad y calor específico del agua y el calor aportado por el intercambiador de calor de banco de tubos resulto 40.000kcal/hr.
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3.3 REQUERIMIENTOS TERMICOS EXISTENTES
El sistema actual de intercambio de calor resulto deficiente, no cumple con la demanda de producción de agua caliente sanitaria y la temperatura adecuada. Esto se detecto mediante un análisis realizado en el punto anterior y las estadísticas obtenidas en el transcurso de la experiencia. Datos que nos entregan información para dar una solución viable tanto para el cliente y adecuada para la instalación.
De esta manera nos enfocamos a los equipos existentes y sus capacidades para buscar una solución al problema del consumo.
En este proceso no podemos hacer modificaciones estructurales de la instalación existente, tales como cambiar los boiler a una mayor dimensión y a si aumentar su capacidad de almacenamiento lo que seria una solución , pero no se puede por un tema de espacios, tampoco cambiar las potencias de las calderas actuales. Estas están a su máxima capacidad con un 65% destinadas para la calefacción del hotel y solo un 35% para calentar agua, cualquier modificación involucrara costos mayores.
3.4 SOLUCION PROYECTADA PARA LA DEMANDA ACTUAL DE AGUA CALIENTE SANITARIA
Con todos los datos obtenidos del análisis del problema , mas los cálculos posteriores se ha concluido incorporar un nuevo equipo , cuya finalidad será aprovechar el máximo de la potencia aportada por las calderas y esta entregarla para la producción instantánea de agua caliente, lo que mejorara en un 200%
En el análisis del problema
Con todos los datos obtenidos en el análisis del problema, mas los cálculos posteriores se ha concluido incorporar un nuevo equipo, el cual abastecerá la totalidad de la demanda actual del hotel, satisfaciendo el consumo en la lavandería durante el día y el máximo en las horas pic de la ocupación, esto se consigue aprovechando al máximo la potencia aportada por las calderas dando preferencia a calentar el agua sanitaria antes que la calefacción.
La solución proyectada para el mejoramiento de la producción de agua caliente, es hacer el cambio del tipo de intercambiador de calor, por uno de mayor eficiencia energética, de menor volumen de construcción, pero de mayor superficie de transferencia , logrando aumentar la producción continua del agua y a la vez entregar agua caliente instantánea al almacenamiento existente.
Este intercambiador es del tipo placas de acero inoxidable con empaquetaduras para el ensamble, fijados en un colector bastidor por medio de pernos. Logrando
1.-mayor eficiencia en la transferencia de calor
2.- agua caliente en forma instantánea
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3.-aumento en la temperatura de salida y almacenamiento.
4.-
En la selección de este se ha tomado en cuenta el tiempo de respuesta para producir agua caliente, la efectividad del material y diseño , la factibilidad para realizar servicios de mantenimiento en donde el tiempo de limpieza se acorta tal que no afectara el suministro.
En el circuito primario (agua de calefacción) se realizara la instalación de nuevas bombas recirculadoras de mayor caudal, para mover el agua contenida en las calderas saliendo por el surtidor hasta la entrada del intercambiador de calor.
El circuito secundario (agua caliente sanitaria A.C.S.) entrara en el nuevo intercambiador con una premezcla proveniente del acumulador , lo que servirá para aumentar la temperatura de entrada al intercambiador de calor.se ha considerado que a la salida de este, el agua tenga un delta de temperatura de 45ºC en las peores condiciones de demanda. Esto nos indica que no habrá carencia de agua caliente para los pasajeros
Las características de estos nuevos equipos
Lo principal es tener un intercambiador que transfiera toda esta energía al agua y esta entregarla para la producción instantánea de agua caliente, lo que mejorara en
En el análisis del problema
3.5 CALCULOS
3.5.1 CONSUMO TOTAL DE AGUA REQUERIDA EN LAS HABITACIONES, SERVICIOS COMUNES Y LAVANDERIA
3.5.2 CAPACIDAD DE CALOR A GENERAR
3.5.3 CAPACIDAD DE ACUMULACION
3.5.4 CALCULO Y SELECCIÓN DEL NUEVO INTERCAMBIADOR DE CALOR PARA SATISFACER DEMANDA REQUERIDA
3.6 DIMENSIONAMIENTO Y SELECCIÓN DE EQUIPOS
4. ESTUDIO ECONOMICO DEL PROYECTO 4.1 COSTO TOTAL DEL NUEVO SISTEMA A IMPLEMENTAR
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5. ANALISIS Y CONCLUSIONES
6. BIBLIOGRAFIA
7. APENDICE
PLANOSCATALOGOSCOTIZACIONESESPECIFICACIONES TECNICAS
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POTENCIA UTIL DEL INTERCAMBIADOR EXISTENTE
De acuerdo a la inspección realizada en la sala de cilindros acumuladores de ACS, se observa la capacidad de las bombas por el modelo DAB ASO/180 dando por catalogo un caudal promedio de 4 m3/h con un H de 4 mca.
Con este caudal se determina la potencia útil del intercambiador existente y se compara la perdida de carga con apuntes de transferencia de calor, el cual recomienda que no debe ser inferior a 10 psi = 6,8 mca.
Teniendo los siguientes datos:
Circuito primario
Qcald = 250.000 Kcal/hTs = 80º CTe = 60º CM bomba 1 y 2 = 8 m3/h H20 = 1000 kg /m3Cp = 1 Kcal/kg ºCQ interc 1 y 2 = m x …… x Cp x ……
= 8 m3/hr x 1000 kg/m3 x 1 Kcal/kg ºC x (80-60) ºC= 160 Kcal / hr
Teniendo la potencia de los intercambiadores calculamos los litros totales a calentar en 1 Hr.
Circuito SecundarioM = 6m3Ts = 60º CTe = 10º CCircuito primario corresponde al agua de calefacción.Circuito secundario corresponde al agua sanitaria para consumo.
Teniendo como referencia la potencia útil de los intercambiadores, calculamos la potencia necesaria para calentar 6m3 de agua con una Tºe de 10ºC y Tºs salida de consumo de 60º.
Q…….. = m h20 x ……….. x Cp x ………= 6 m3 x 1000 kg/m3 x 1 Kcal/kg ºC x (60-10) ºC= 3000 Kcal / hr
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Por lo tanto se deduce que para calentar una masa de agua de 6m3 es necesario un tiempo de 2 hr aprox.
1. El calor total entregado por las calderas es de 250000 Kcal/hr, por lo que estamos bajo la potencia requerida.
2. El calor máximo de los intercambiadores se encuentra limitado por su diseño, el cual alcanza un máximo de 160000 Kcal/hr.
3. De acuerdo a las estadísticas del consumo del hotel el pick de consumo se encuentra ………………………. en 3 horas, por lo que no alcanza a recuperar la temperatura deseada.
Teniendo total de 82 habitaciones en 10 lts/min. x 10 min., nos da un total de 8200 lts. de consumo a 45ºC.
Teniendo 6000 lts. (50)/35 = ………………. a 45ºC.