1. Introducción

Los sobrecalentadores de las calderas de media presión (P_trabajo > 20 PSI) pesan aproximadamente 500 kg provocando cargas superiores a 5.000 N a los soportes que lo sujetan en el techo del hogar. Los sobrecalentadores se ubican en la parte superior del hogar de manera que la transferencia en los tubos del sobrecalentador primario y secundario lleve al vapor sobrecalentado a presiones mayores de 20 psi. Por otro parte, esta posición permite mantener a los tubos alejados de las llamas donde las temperaturas son aproximadamente a 1.100 °C, a esta temperatura el material de los ductos puede generar rupturas y desgastes prematuros. En la Figura 1 se detalla la ubicación de los soportes de los sobrecalentadores primarios y secundarios en una caldera de media presión.

Figura  1. Esquema del hogar, parrilla y sobrecalentador primario y secundario en una caldera de media presión.

Figura 2. Soporte del cobrecalentador.

Los soportes de los sobrecalentadores generalmente se diseñan a partir de aceros inoxidables austeníticos que mantienen su módulo de elasticidad Ε y límite de fluencia σ_y altos conservando las propiedades mecánicas a temperaturas entre 900°C.

Un inconveniente adicional en la industria colombiana es la disposición de los materiales adecuados para el diseño de estos soportes cada vez que se requieren, ya sea por mantenimiento, desgaste o prevención del correcto funcionamiento de la caldera. Este problema requiere de ingeniería de producción del soporte con los materiales existentes en el mercado.

En el siguiente artículo se describe el diseño de los soportes del sobrecalentador primario y secundario en una caldera industrial mediante el análisis de elementos finitos realizado por IPT ingeniería para uno de sus clientes.

2. Objetivo del proyecto

Diseñar un soporte para el sobrecalentador primario y secundario mediante el método de elementos finitos modificando el material del soporte, pasando de acero redondo a lamina rectangular, en una caldera de media presión de la industria colombiana.

3. Metodología.

Este artículo se realizó siguiendo la metodología de elementos finitos descrito en la siguiente figura. Esta metodología consiste en los siguientes pasos.

Figura 3. Diagrama de flujo para análisis de elementos finitos.

Es importante resaltar que esta metodología es cíclica y en caso de que los resultados muestren que el soporte falla, el proceso se devuelve a la generación de una nueva geometría para volver a desarrollar el procesamiento y así consecutivamente hasta determinar el diseño optimo.

4.  Resultados

Siguiendo la anterior metodología a continuación se presentan los resultados del análisis

4.1 Geometría.

4.2 Malla

4.3 Diagrama de cuerpo libre.

Cada serpentín esta sostenida por dos soportes y cada serpentín pesa aproximadamente 500 kg. Para este caso, se considera soportar el 20% más del peso dado con el fin de garantizar la durabilidad bajo condiciones de carga extrema.

4.4 Propiedades del material.

El material para los soportes es un acero inoxidable austenítico, en el libro ASME BOILER AND PRESSURE VESSEL CODE 2019, en las secciones II y IV con el fin de identificar las propiedades mecánicas, la composición química del material y el cambio del límite de fluencia a 950°C. En la siguiente tabla se describen estas propiedades:

Tabla 1. Propeidades mecánicas y composición química del acero inoxidable asutenitico.

Adicionalmente, con la siguiente expresión se calcula el límite de fluencia mínimo que le material puede soportar a 950°C

Sy = 205 MPa/1,5 = 136,67 MPa.

Este límite de fluencia es el esfuerzo máximo que puede soportar el material sin entrar a la zona plástica, es decir, sin tener deformación permanente.

4.5 Resultados

Después de varias modificaciones, se optó por la fabricación de los soportes con láminas de 30 X 12 mm. Los resultados se muestran en las siguientes gráficas.

En las anteriores gráficas se determinan de color rojo los esfuerzos más grandes a los que está sometido el soporte, se puede observar que, los esfuerzos mayores se localizan en la parte de cambio de sección del soporte, ya que aquí se concentran los esfuerzos y en el pasador cerca al gacho que sostiene los ductos del serpentín.

4.6 Análisis de resultados.

En la siguiente tabla se muestran los resultados de los análisis que se le realizaron a este soporte para llegar al diseño más adecuado y el factor de seguridad de cada análisis.

Tabla 2. Resultados del análisis realizado al soporte

De la anterior tabla se puede ver que el diseño con lámina 12 x 24 mm genera fractura, mientras que el diseño de 12 x 24 pero con pasador redondo de 6 mm no genera fractura, pero su F.S es 1,01 lo cual no es recomendable ya que con alguna carga superior que se genere podría fracturarse. Finalmente, el diseño del soporte con lámina de 12 x 30 mm y con un pasador rectangular de 12 x 24 mm, permite las cargas aplicadas y presenta un F.S de 1,4, suficiente para resistir cargas adicionales no consideradas en el análisis o cargas extremas.

5. Conclusiones y recomendaciones.

• El nuevo diseño permite resistir las cargas aplicadas con un F.S de 1,43.
• El análisis con elementos finitos permitió identificar la importancia del pasador en el diseño del pasador.
• Para disminuir las cargas por el cambio de sección del soporte y del pasador, se recomienda, ajustar las tuercas cada vez que se realice un paro de mantenimiento en la caldera.
• Los resultados obtenidos en estas simulaciones se consideran como estados críticos en la cual las cargas son máximas.

Juan Carlos Guerrero Ordoñez.

Ingeniero de proyectos, IPT ingeniería. Candidato a doctorado en Mecánica Aplicada, Universidad del Valle. Magister en Ingeniería de Energías, Universidad Federal de Itajubá – Brasil. Ingeniero Mecánico, Universidad del Valle.

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Este proyecto de cogeneración tiene como objetivo utilizar un excedente de fibra de palma africana y una caldera de vapor saturado a 14 bar(a) que permanecía en standby; en una planta extractora de aceite para generar energía eléctrica y térmica mediante un turbo generador, para disminuir la compra de energía a la red y los costos de operación.

Ingeniería conceptual por IPT Colombia:

IPTCOLOMBIA analizó la viabilidad de un proyecto de cogeneración con una caldera de vapor saturado a 14 bar(a), aprovechando excedentes de fibra de palma y una caldera en standby en una planta extractora de aceite de palma en Colombia.

Tras estudios térmicos, balances de masa, vapor y energía, se definieron las especificaciones técnicas para el turbogenerador, considerando dos escenarios operativos según la disponibilidad de combustible.

El escenario uno presenta un turbogenerador generando 968 kW en los terminales con un consumo de vapor de 12000 kg/h a condensación.

El escenario dos presenta un turbogenerador generando 747 kW en los terminales con un consumo de vapor de 9500 kg/h a condensación.

Por lo tanto, el turbo generador seleccionado fue el modelo Base turbogenerador hasta 1000kW.

La BASE Turbogenerador, con capacidad de hasta 1000kW, es una turbina monoetapa diseñada específicamente como generador eléctrico, cubriendo un rango de potencia entre 75kW y 1000kW. Esta versátil turbina se adapta perfectamente a plantas pequeñas de cogeneración, instalaciones con paneles solares descentralizadas y permite aprovechar vapor excedente de procesos industriales o energía térmica residual en ciclos cerrados con motores a gas o biogás.

IPT COLOMBIA realizó cálculos que confirman que este proyecto se puede implementar sin la necesidad de adquirir una caldera de alta presión, utilizando la caldera existente.

Ingeniería de detalle por IPT Colombia:

Consultoría energética

IPTCOLOMBIA desarrolló la ingeniería de detalle para la compra del turbogenerador y la instalación, incluyendo la ingeniería civil, mecánica, eléctrica, de instrumentación y control. El proyecto arrancó, con la eficiencia calculada para el turbogenerador instalado y la calidad de la ingeniería desarrollada por IPTCOLOMBIA.

• La ingeniería civil fue desarrollada para toda la cimentación de la turbina y la obra arquitectónica para el edificio del condensador, turbina y equipos auxiliares.
• La ingeniería mecánica fue desarrollada para el cálculo de los diámetros de tubería de vapor, condensado y agua de enfriamiento a las torres.
• La ingeniería eléctrica fue desarrollada para interconexión del generador con la red de la fábrica y la red pública.
• La ingeniería de instrumentación y control fue desarrollada para la interconexión con la planta y para las protecciones requeridas por el turbo.

Por lo tanto, la ingeniería desarrollada por IPTCOLOMBIA permitió la utilización de una caldera de baja presión con vapor saturado, existente, sin requerir una inversión adicional en una caldera de alta presión con vapor sobrecalentado.

Ahorro en compra de energía eléctrica:

La empresa extractora pudo tener un ahorro en compra de energía de $10.800.000 diarios, lo cual genera una tasa interna de retorno de la inversión de menos de dos años.

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