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DISEÑO DE VENTILADOR AXIAL 1.
CONS CONSID IDER ERAC ACIO IONE NES S DEL DEL DISE DISEÑ ÑO:
Se va realizar el diseño de un sistema de ventilación para un taller de soldadura. Para poder diseñar el sistema de ventilación, así como el tipo tipo de vent ventil ilad ador or adec adecua uado do
requ requer erim imos os de cier cierto toss pará paráme metr tros os
básicos como el caudal de aire de recambio, la presión a elevar en el sistema y el número de revoluciones del rodete del ventilador.
1.1 1. 1 Caud Caudal al de de air aire e (Q) (Q) Parra el cá Pa cálc lcul ulo o del del ca caud udal al requ requer erid ido o en el tall taller er,, tene tenemo moss las las siguientes dimensiones para el taller: altura
=
ancho
=
l arg o
=
4.00 m
55 .00 m
65 .00 m
Estas dimensiones nos permiten calcular el volumen del taller de soldadura: Vol
= h.a.l = 3 x55 .00 x65 .00 = 10725 m 3
Con Co n ayud ayuda a de la tabla abla “Ca Camb mbio ioss suge sugerrido idos del air aire par ara a una una ventilación apropiada” apropiada” (Tabla Nº1 del apéndice), apéndice), seleccionamos para el aparcamiento la relación
N º Re novaciones Hora
=
6 −8
Para la máxima capacidad del taller tomamos
N º Re novaciones Hora
=
6.
Entonces el caudal requerido será: Q
64350 m3/hora
1.2 Presión Presión del del sistem sistema a de ventila ventilación ción (P): (P):
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Para poder determinar la presión del sistema de ventilación primero necesitamos diseñar el sistema de ventilación como se aprecia en el siguiente esquema: Para el sistema propuesto tenemos los siguientes accesorios •
12 rejillas de ventilación
•
2 compuerta
•
2 uniones de 45º
De la tabla “Guía para la presión estática” (Tabla Nº2 del apéndice) tenemos:
Presión por longitud de ducto:
•
P l
=
•
0.3 pu lg H 2 O 30.48m
=
0.6398 pu lg H 2 O
Presión por accesorios
P accesorios
•
* (57 + 4 + 4)
=
0.08 pu lg H 2 O * 16
=
1.28 pu lg H 2 O
Presión Total
P = P l
+ P accesorios = 0.6398 +1.28 = 1.9198 pu lg H 2 O = 477 .72 Pa
Por seguridad tomamos P = 480 Pa Luego se utilizara 2 ventiladores axiales
Q
32175 m3/hora y P =
=
240 Pa
1.3
RPM del ventilador:
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Se empleará un acople motor-rotor por correa. Se utilizará un motor de 1 par de polos que gira a 3600 rpm y mediante una transmisión por correas el rotor del ventilador girará a 1100 rpm.
2.
DISEÑO DEL VENTILADOR:
2.1 Selección del tipo de ventilador: Primeramente realizamos el cálculo del coeficiente de rapidez (ny). De acuerdo al valor de este parámetro seleccionamos el tipo de ventilador a emplear 1 2
1 2
5 3* Q w 5 3* (3 2 1 7 /53 6 0 0) * (1 1 0 0/ 6 0) * 2π
n y =
3
=
3
P 4 n y
=
2 4 04
299 .327
Para el valor de ny obtenido, de la “Tabla de selección” (Tabla Nº3 proporcionada en el apéndice), seleccionamos: Ventilador axial con álabes torcidos planos.
2.2 Diámetro periférico del rodete (D): Tenemos la ecuación empírica:
•
D
=
0.32 * ( 0.545 * n y
+
4 * b ) * P
n
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Donde “b” es el ancho del álabe y varía entre 30 y 100 mm. Tomamos b = 100 mm Reemplazando valores:
D
=
D
=
0.32 * ( 0.545 * 299 .327
+
4 * 0.1) *
240
1100
(Según la ecuación empírica)
0.7370
Tenemos la siguiente ecuación derivada de la ecuación de
•
continuidad:
D
=
1
2. 9 * 3
ν (1 −ν
2
)
*3
Q K y * n
Donde: ν
=
Dcubo D
, es el diámetro relativo del cubo, varía entre 0.4 y 0.8.
Tomamos ν = 0.6 K y
=
C a u cubo
, varía entre 0.6 y 1.0. Tomamos K y
=
0.8
Reemplazando valores, tenemos:
D = D
32175 3600 2.9 * 3 *3 2 0.8 *1100 0.6 * (1 − 0.6 )
= 0.864 m
1
(Según la ecuación de continuidad)
Tomamos un diámetro medio entre los valores obtenidos por ambas ecuaciones: D = 0.80 m
2.3 Velocidad tangencial periférica del ventilador (u):
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u
=
π * D * n
60
=
π * 0.8 * 1100
60
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=
46.077
m s
Verificamos que “u” obtenido es menor que 100 m/s que es el valor límite para las velocidades tangenciales de los ventiladores axiales (mayores velocidades empeoran sus características acústicas). u
=
46 .077
m s
<
100
m s
2.4 Coeficientes de caudal y presión para el área total: Hallamos área proyectada del ventilador (F):
F =
2
4
=
π * 0.8
2
4
=
0.50265 m 2
Coeficiente de caudal ( ϕ ′ ):
•
ϕ ′
π * D
=
Q F * u
=
32175 3600 = 0.38589 0.50265* 46.077
Coeficiente de presión (ψ ):
•
ψ =
2 P ρ * u
2
=
2 * 240 1.2 * 46.077 2
=
0.1884
Para halla el coeficiente de presión teórico castigamos el valor obtenido por 1.25 ψ t
2.5
= 1.25 *ψ = 1.25 * 0.1884 = 0.2355
Diámetro del cubo (Dcubo):
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=ν * D = 0.6 * 0.8 = 0.48 m
2.6 Longitud de las paletas (l): ( D − Dcubo )
l =
2 l = 0.16m
=
0.8 − 0.48 2
Diámetro de la carcasa (Dcarcasa):
2.7
Consideramos una holgura de 0.01m entre el diámetro periférico del rodete y el diámetro de la carcasa, por lo que tenemos: Dcaracasa
= D + 2 * 0.01 = 0.8 + 0.02 = 0.82 m
Área anular (F1):
2.8
F (1 −ν 2 )
F 1
=
F − F cubo
F 1
=
0.321696 m 2
=
=
2
0.50265 * (1 − 0.6 )
Coeficiente de caudal para área anular (
2.9
ϕ =
2.10
ϕ ′ 1 − ν 2
=
0.38589 1 − 0 .6 2
):
= 0.6028
Velocidad de entrada (Ca):
C a
= ϕ * u = 0.6028 * 46.077
C a
= 27 .775
m s
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2.11 Desarrollo del álabe: Dividimos la paleta en una serie de secciones anulares por la longitud entre 7 a 10 divisiones) y para cada una se efectúa el cálculo respecto a su radio medio. Tomamos 8 divisiones. A continuación se presentan las fórmulas empleadas para calcular los valores de la “Tabla de Desarrollo del Álabe”
Radio medio (ri):
•
r i
=
r i
=
Dcubo 2 0.48
+ +
l * (2i −1)
2m 0.16 * (2i −1)
2 2*8 r i = 0.24 + 0.00125 * (2i −1)
Donde:
“m” es el número de divisiones “i” es número de zona
Radio relativo ( r i ):
•
r i
r i
= =
r
=
r i 0. 8
Donde “r” es el radio periférico del rodete
r i
0. 4
=
2π * r i * n
60 ui = 115.19r i
•
2
Velocidad tangencial (ui):
•
ui
r i
=
2π * r i *1100 60
Componente tangencial de la velocidad absoluta (C2u i)
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C 2ui
=
C 2ui
=
P ρ * u i
*η h
=
UNSA
240 1.2 * u i * 0.90
222 .2222 ui
La eficiencia (η h ) varía entre 0.75 y 0.92. Tomamos 0.90
•
β 1i
•
β mi
•
β 2i
•
Ángulo de entrada ( β 1i ):
C 27.775 = arctan a = arctan u u i i Ángulo medio ( β mi ): C a = arctan u − C 2ui i 2
= arctan
27 .775 u − C 2ui i 2
Ángulo de salida ( β i ): 2
C a 27 .775 = arctan = arctan u i − C 2ui u i − C 2ui Carga aerodinámica ( (C ) ): yτ i
( C yτ ) i = ψ t 2* cos β mi r i
− ψ t 4
* cos β mi ( C yτ ) i = 0.2355 2 r i
•
Donde ψ t = 0.2355 (calculado anteriormente)
− 0.058875
Número de paletas (Z):
Asumimos Cy= 0.7 Escuela Profesional de Ingeniería Mecánica
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Calculamos la relación cuerda-paso ( τ prom ) para el radio promedio
=
τ prom
(C yτ ) prom C y
=
0.47415 0. 7
= 0.67735
Entonces para el número de paletas tenemos:
Z = Z =
π *τ prom
* D * r prom
b π * 0.67735 * 0.8 * 0.625 0.10
Z = 10 .64
Tomamos Z =12 paletas (Número par para el balanceo)
Relación cuerda-paso para cada sección ( τ i ):
•
τ i
=
•
C yi
Z * b π * D * r i
=
12 * 0.1 π * 0.8 * r i
=
0.47746 r i
Coeficiente de sustentación (Cyi):
=
C yτ
i
τ i
Para los valores obtenidos de Cyi tenemos que el valor de Cy = 0.7 asumido anteriormente es adecuado al encontrarse dentro de los mismos. 2.12
Eficiencia Total (η total ):
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Anteriormente asumimos
UNSA η hidraulica
=
0.90
, la
cual contempla
la
eficiencia de cascada, pérdidas hidráulicas, pérdidas de entrada y salida, pérdidas por fricción, etc. Se debe considerar las pérdidas por fricción en los rodamientos, en la transmisión por fajas, etc, por lo que se debe
considerar una
eficiencia mecánica. La eficiencia mecánica (η mec ) varía entre 0.94 y 0.98. Asumimos η mec = 0.97 Entonces: *η mec
η total
= η hidraulica
η total
=
0.9 * 0.97
η total
=
0.873
=
87.30%
2.13 Potencia del motor (N):
N =
Q * P
32175 =
η total
3600 0.873
* 240
N = 2457 .0446 w N ≈ 3.2949 Hp N ≈ 4 Hp
3.
APÉNDICE
3.1 Cambios Sugeridos del aire para una Ventilación Apropiada Por último, si el ambiente en el cual nos encontramos no queda comprendido por la reglamentación del RITE y son insuficientes los caudales previstos en el Real Decreto 486/1997 cuyos apartados más importantes, en lo que respecta a la ventilación, vimos en la hoja anterior, deberemos ceñirnos a la tradicional, pero no por ello menos útil, tabla de renovaciones/hora. En efecto, en función del grado de contaminación del local se deberá aplicar un mayor o menor número de renovaciones/hora de todo el volumen del mismo, según se observa en la tabla 1. Renovación del aire en locales habilitados
Nº Renovaciones/hora
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Catedrales Iglesias modernas (techos bajos) Escuelas, aulas Oficinas de bancos Cantinas (de Fábricas o militares) Hospitales Oficinas generales Bar del hotel Restaurantes lujosos (espaciosos) Laboratorios (con campanas localizadas) Talleres de mecanizado Tabernas (con cubas presentes) Fábricas en general Salas de juntas Aparcamientos Salas de baile clásico Discotecas Restaurante medio (un tercio de fumadores) Gallineros Clubs privados (con fumadores) Café Cocinas domésticas (mejor instalar campana) Teatros Lavabos Sala de juego (con fumadores) Cines Cafeterías y Comidas rápidas Cocinas industriales (indispensable usar campana) Lavanderías Fundiciones (sin extracciones localizadas) Tintorerías Obradores de panaderías Naves industriales con hornos y baños (sin campanas) Talleres de pintura (mejor instalar campana)
0,5 1-2 2-3 3-4 4-6 5-6 5-6 5-8 5-6 6-8 5 - 10 10 - 12 5 - 10 5-8 6-8 6-8 10 - 12 8 - 10 6 - 10 8 - 10 10 - 12 10 - 15 10 - 12 13 - 15 15 - 18 10 - 15 15 - 18 15 - 20 20 - 30 20 - 30 20 - 30 25 - 35 30 - 60 40 - 60
Tabla 1. Tabla de renovaciones/hora Esta tabla se basa en criterios de Seguridad e Higiene en el trabajo y pretende evitar que los ambientes lleguen a un grado de contaminación ambiental que pueda ser perjudicial para los operarios, pero sin partir ni del número de los mismos ni de criterios más científicos. Obsérvese que, a medida que el grado de posible contaminación del recinto es mayor, aumenta la cantidad de renovaciones a aplicar siendo más dificil determinar con precisión cual es el número exacto de renovaciones para conseguir un ambiente limpio con plenas garantías, por lo que será la propia experiencia la que nos oriente en
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casos como éstos, especialmente si se alcanzan niveles de contaminación importantes.
3.2 Guía para la presión estática Sin ducto Con ducto Instalación
0.05 a 0.20 pulg de H2O 0.20 a 0.40 pulg de H2O por cada 100 pies de ducto 0.08 pulg de H2O por cada elemento instalado (codo, rejilla, compuerta, etc)
Tabla Nº2.-Guía para la presión estática (Tomada del Manual del usuario de ventiladores Greenheck )
3.3 Selección del tipo de ventilador: Tipo del Ventilador Radial de alta presión Radial con álabes doblados hacia delante Radial con álabes doblados hacia atrás Radial con doble entrada Axial para altas presiones Axial con álabes torcidos planos
ny 10 – 30 30 – 60 50 – 80 80 – 120 120 – 200 200 – 400
Tabla Nº3: Selección del tipo de ventilador
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