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VENTILACION INDUSTRIAL

Introducción Se entiende por ventilación la sustitución de una porción de aire, que se considera indeseable, por otra que aporta una mejora en pureza, temperatura, humedad. A título ilustrativo en el siguiente cuadro (fig. 176) muestra una comparación entre aire puro y el aire de una gran ciudad.                                                                                                             Fig. 176    Objetivo La ventilación para los seres vivos, y los humanos en particular, le resuelve funciones vitales como el suministro de oxígeno para su respiración y a la vez les controla el calor que producen y les proporciona condiciones de confort, afectando a la temperatura, la humedad y la velocidad del aire. La ventilación industrial se ocupa del control de la enorme variedad de sustancias que pueden contaminar el aire en los locales de trabajo y que se originan en los procesos productivos. Se ocupa también de la neutralización del calor industrial. Su finalidad puede ser eliminar un riesgo para la salud o bien mejorar condiciones ambientales existentes. La ventilación puede consistir en el ingreso de una cantidad calculada de aire limpio exterior, suficiente para diluir los contaminantes reduciendo sus concentraciones a valores permisibles predeterminados, o bien en la extracción focalizada del aire contaminado en su lugar de origen. En la fig. 177 muestra la clasificación del proceso de ventilación.

Fig. 177 187     

Ventilación general Es cuando se produce la ventilación total del local para producir sólo la evacuación del aire. El aire que entra en el local se difunde por todo el espacio interior antes de alcanzar la salida. Este tipo de ventilación tiene el inconveniente de que, de existir un foco contaminante concreto, como es el caso de cubas industriales con desprendimientos de gases y vapores (molestos o tóxicos), el aire de una ventilación general esparce el contaminante por todo el local antes de ser captado y llevado a la salida.

Ventilación natural Es la forma de renovación sin usar medios mecánicos. Está basada en la corriente ascensional del aire con origen térmico o eólico. Su eficacia depende siempre de la temperatura exterior e interior y de los vientos para poder conseguir una renovación de la atmosfera en el interior de un recinto. Ventilación mecánica Cuando la ventilación natural es insuficiente, es necesario recurrir a la ventilación artificial, obtenida por medios mecánicos. Generalmente está presente en lugares donde haya fuentes de contaminación y/o flujo termico procedente de la actividad industrial.

Ventilación Insuflante o por sobrepresión Se obtiene insuflando aire a un local, poniéndole en sobrepresión interior respecto a la presión en el exterior (atmosférica). El aire fluye entonces hacia el exterior por las aberturas dispuestas para ello (ver fig. 178). A su paso el aire barre los contaminantes interiores y/o las emisiones de calor y deja el local lleno del aire puro exterior.

Fig. 178

Ventilación aspirante o por depresión Se logra colocando el ventilador que extraiga el aire del interior del local, lo que provoca que éste quede en depresión respecto al exterior (a presión atmosférica). El aire penetra desde fuera por la abertura adecuada, efectuando una ventilación de iguales efectos que la anterior (ver fig. 179). 188     

                    Fig. 179     Ventajas e inconvenientes de la ventilación aspirante e insuflante: Aspirante: - Conveniente cuando se desea efectuar la eliminación de polvos, humos y vapores en el punto de producción (el extractor se halla cerca de la fuente de contaminación). - Conveniente cuando se desea aplicar una ventilación general del aire viciado de una fábrica, especialmente en la parte alta - Ponen el local en depresión y provocan la entrada de aire frío. Insuflante: - Ponen al local en sobrepresión. - El aire insuflado puede ser filtrado, calefaccionado, humectado y refrigerado. - La evacuación se efectúa naturalmente por aberturas y chimeneas. Cualquiera sea el caso, la diferencia de presión es muy pequeña, de entre 10 y 15 Pa, prácticamente imperceptible para los humanos. -

Ventilación localizada Como ya se ha mencionado, la ventilación general adolece del inconveniente de que si existe un foco contaminante concreto, el aire de una ventilación general esparce el contaminante por todo el local antes de ser captado y arrastrado a la salida (ver fig. 180). En esta forma de ventilación el aire contaminado es captado en el mismo lugar que se produce, evitando su difusión por todo el local. Se logra a base de una campana que abrace lo más estrechamente posible el foco de polución y que conduzca directamente al exterior el aire captado (ver fig. 181).

189     

Fig. 180

Fig. 181

Ventilación mixta Son instalaciones más complejas, usan simultáneamente un ventilador para el ingreso de aire puro y un extractor que evacua el aire viciado.

Control de contaminantes Habitualmente se clasifican los contaminantes del aire, según su estado físico, en gases, vapores y partículas que pueden ingresar al organismo por la vía respiratoria. El control de los contaminantes del aire se hace controlando el movimiento del aire. 190     

Ventilación en el ámbito industrial La exposición a las condiciones ambientales de los lugares de trabajo no deberá suponer un riesgo para la seguridad y salud de los trabajadores. A tal fin, dichas condiciones ambientales y en particular las condiciones termo higrométricas (temperatura y humedad) de los lugares de trabajo deberán ajustarse a lo establecido en las normativas vigentes. La exposición a los agentes físicos, químicos y biológicos en el ambiente de trabajo se regirá por lo dispuesto en su normativa específica. En lugares de trabajo cerrado deberían cumplirse las siguientes condiciones: a) La temperatura de los locales donde se realicen trabajos sedentarios propios de oficinas o similares estará comprendida entre 17 y 27°C. La temperatura de los locales donde realicen trabajos ligeros estará comprendida entre 14 y 25°C. b) La humedad relativa estará comprendida entre el 30 y el 70 por ciento.Los trabajadores no deberán estar expuestos de forma frecuente o continuada a corrientes de aire cuya velocidad exceda los siguientes límites: - 1°. Trabajos en ambientes no calurosos: 0,25 m/s. - 2°. Trabajos sedentarios en ambientes calurosos: 0,5 m/s. - 3°. Trabajos no sedentarios en ambientes no calurosos: 0,75 m/s. Estos límites no se aplicarán a las corrientes de aire expresamente utilizadas para evitar el estrés en exposiciones intensas al calor, ni las corrientes de aire acondicionado, para las que el límite será de 0,25 m/s en el caso de trabajos sedentarios y 0,35 m/s en los demás casos. c) La renovación mínima del aire en los locales de trabajo será de 30 metros cúbicos de aire limpio por hora y por trabajador en el caso de trabajos sedentarios ambientes no calurosos ni contaminados por humo de tabaco y de 50 metros cúbicos en los casos restantes, a fin de evitar el ambiente viciado y los olores desagradables. El sistema de ventilación empleado y, en particular, la distribución de las entradas de aire limpio y salidas del aire viciado, deberán asegurar una efectiva renovación del aire del local de trabajo. En la siguiente tabla (fig. 182) se indica a título informativo las renovaciones del volumen de aire de un recinto por hora para distintas actividades.

Renovaciones por hora

Tipo de local Fábricas, trabajos sedentarios

6

Fábricas, trabajos activos

10

Fundiciones

10

Molinos

8

Instalaciones de galvanizado

20

Talleres de imprenta

6

Cervecerías (cámaras de fermentación)

20

Tintorerías

30

Limpieza y planchado

12

Refinería de aceite (sala de bombas)

15

Frigorífico (matadero)

12

Áreas de pintura a soplete

60

Panadería (cuadra)

20

Panadería (cuadra si hay horno)

60

Fig. 182 191     

Renovaciones por hora

Tipo de local Laboratorios

8

Laboratorios mecánicos y eléctricos

6

Laboratorios químicos

50

Hilanderías

8

Tejeduría

6

Manufactura de tabaco

12

Lavaderos

15

Lavaderos a vapor

22

Locales de planchado y clasificación

15

Carpinterías

8

Establecimientos metalúrgicos

6

Fábricas de papel

20

Fábricas de celulosa

30

Fábricas de pastas alimenticias

8

Fábricas de productos químicos

10

Talleres de forja

30

Taller mecánico de reparación de automotores Garajes

8 15

Locales para máquinas

12

Locales para calderas según la potencia instalada

20 a 60

Locales para transformadores

12

Locales para medidores eléctricos

12

Locales para medidores de gas

6

Oficinas en general

6

Fig. 182 (continuación) La tabla anterior puede simplificarse aún más expresándola en base al volumen del recinto (ver fig. 183) que da buenos resultados para cálculos preliminares.

Fig. 183

Barrido del espacio Se debe barrer adecuadamente el espacio a ventilar. Las entradas y salidas se dispondrán de tal modo que el aire que entra recorra la mayor parte del espacio a ventilar, antes de llegar a la salida. La figura 184 ilustra ejemplos de lo mencionado. 192     

Fig. 184

Vista en planta

193     

Fig. 184 - Continuación

Componentes un sistema de ventilación -

Ventiladores

Cualquier ventilación que no sea la natural requerirá de un dispositivo que fuerce al aire a moverse a una velocidad determinada. Dicho dispositivo se lo conoce como ventilador. Los ventiladores son generalmente identificados como máquinas de aumentos de presión relativamente bajos que mueven aire, gases o vapores mediante paletas rotativas o impulsores que cambian la energía mecánica rotativa en trabajo sobre el gas o vapor. El resultado de este trabajo sobre el fluido será en forma de energía de presión o energía de velocidad, o alguna combinación de ambos. Los ventiladores normalmente se clasifican como axiales (ver fig. 185), en los que el gas se mueve paralelo al eje de rotación y centrífugos (ver fig. 186), en los que el gas se mueve perpendicular al eje de rotación.     

Fig. 185

Fig. 186 194 

   

Campo de cobertura Los ventiladores están limitados por presión hasta un valor de aproximadamente 0,25 bar y suministrar caudales prácticamente ilimitados. El la figura 187 se muestra un gráfico con el campo de aplicación para diferentes tipos de ventiladores.

Fig. 187

Ventiladores axiales Son aquellos en los cuales el flujo de aire sigue la dirección del eje del mismo. Se suelen llamar helicoidales, pues el flujo a la salida tiene una trayectoria con esa forma. En líneas generales son aptos para mover grandes caudales con mínimas presiones. Con velocidades periféricas medianamente altas son en general ruidosos. En la figura 188 se muestra un despiece del mismo.

195     

  1 – TUBO  2 – ACCIONAMIENTO  3 – IMPULSOR  4 & 5 – FILTRO  6 – CAJA COJINETE                                                                                                                                                                   7 – POLEA                                                                                                                                                                               Fig.

188 

8 – CORREA  9 – EJE  10 – CUBRE POLEA                                                                                              

Los ventiladores axiales se clasifican por la forma de su envolvente de la siguiente manera: ‐ ‐ ‐

Axial de aletas directrices (fig. 189a) De tubo axial (fig. 189b) Axial de hélice (fig. 189c)

‐

Ventiladores axiales de hélice.

Ventiladores aptos para mover grandes caudales de aire con bajas presiones. Son de bajo rendimiento. La transferencia de energía se produce mayoritariamente en forma de presión dinámica. Se aplica en circulación y extracción de aire en naves industriales. Se instalan en pared sin ningún conducto.  

‐

Ventiladores axiales de tubo.

Tienen rendimiento algo superior al anterior y es capaz de desarrollar una presión estática mayor al anterior. Se utiliza en instalaciones de ventilación, calefacción y aire acondicionado que requieran altos caudales con presión media a baja. También se utiliza en algunos sistemas industriales como cabinas de pintura y extracciones localizadas de humos. Fig. XXX ‐

Fig. 189

                              

Ventiladores axiales con aletas directrices

Los ventiladores axiales con aletas directrices pueden estar provistos con impulsores de alabes rectos o de perfil aerodinámico que permiten obtener presiones mas altas que el anterior. Estos alabes pueden ser fijos o de ángulo ajustable (para regular las condiciones del suministro).Las aletas directrices están dispuestas en forma radial. Tiene aplicaciones similares a los de tubo axial, pero con 196     

la ventaja de tener un flujo más uniforme (en la dirección axial) y la posibilidad de obtener presiones mayores

Ventiladores centrífugos Los ventiladores centrífugos son máquinas en los que el aire es impulsado por un rodete que lo aspira por el centro y lo expulsa a través de sus álabes o palas. Así pues el aire entra al rodete de forma paralela a su eje y sale en dirección perpendicular al mismo. En la figura 190 se muestran sus principales componentes (excluido el eje) los cuales se construyen generalmente de chapa soldada de acero al carbono y/o acero inoxidable y también de plástico en los de dimensiones reducidas.                        

Fig. 190 – Despiece de un ventilador centrifugo

Los ventiladores centrífugos se clasifican según la inclinación y forma de sus alabes, esto es: ‐ ‐ ‐ ‐ ‐ ‐

Alabes curvados e inclinados hacia atrás, contrario al sentido de rotación (fig. 191a) Alabes rectos e inclinados hacia atrás (fig. 191b) Alabes aerodinámicos inclinados hacia adelante, según el sentido de rotación (fig. 191c) Alabes radiales (sin curvatura) (fig. 191d ), Alabes curvados e inclinados hacia adelante según el sentido de rotación (fig. 191e), Alabes parcialmente radiales (fig. 191f),

De la forma de la aleta depende la forma de las curvas características de potencia y presión.                                                                                                              

Fig. 191        

197     

            Parcialmente radial

‐

Ventiladores centrífugos de alabes curvados hacia adelante

El impulsor con alabes curvados hacia adelante (respecto al sentido de rotación) son de poca longitud y de gran numero de alabes y permiten el movimiento de grandes volúmenes de aire en aplicaciones donde se requieren bajo número de vueltas y presiones medianas lo cual lo hace útil en la mayoría de las instalaciones de aire acondicionado residenciales y locales comerciales.

‐

Ventiladores centrífugos de alabes rectos o curvados hacia atrás.

El ventilador centrifugo con impulsor de alabes curvados hacia atrás (respecto al sentido de rotación) son de menor número de alabes y de mayor longitud que el anterior, es de alta velocidad, de bajo nivel de ruido y su eficiencia es alta. Puede ser usado en aplicaciones industriales, con ambientes corrosivos y/o bajos contenidos de polvo.

‐

Ventiladores centrífugos de alabes radiales.

El ventilador centrifugo con impulsor de alabes radiales es el diseño más sencillo y de menor rendimiento. Es muy resistente mecánicamente, y el impulsor puede ser reparado con facilidad. El diseño le permite ser autolimpiante. Empleado básicamente para instalaciones industriales para el transporte de materiales en polvo (transporte neumático).

‐

Ventiladores centrífugos de alabes parcialmente radiales.

Los Impulsores de alabes curvados hacia adelante (respecto al sentido de rotación) con salida radial son una variante de los ventiladores radiales pero con mayor rendimiento. Son autolimpiantes. Como con impulsores radiales estos ventiladores son aptos para trabajar en aplicaciones industriales con movimiento de materiales en polvo (transporte neumático), pero con un mayor rendimiento.

‐

Ventiladores centrífugos de alabes perfil aerodinámico inclinados hacia atrás.

Es el de mayor rendimiento dentro de los ventiladores centrífugos. Es utilizado generalmente para aplicaciones en sistemas de aire acondicionado y aplicaciones industriales con aire limpio.

Performance de los ventiladores ‐ Curvas características Las siguientes figuras muestran en términos relativos las curvas típica de caudal-presión estática, caudal-rendimiento y caudal-potencia para los diferentes tipos de ventiladores (ver fig. 192 a 197).

198     

        

      Fig. XXX

 

Fig. XXX

   

Fig. 192

Fig. 193

         

Fig. XXX

Fig. XXX

  .   

Fig. 194

Fig. 195                                       

                                                         Fig.                                                                                                                                  Fig.                        

Fig.

Fig. 196

Fig. 197 199 

   

‐ Potencia absorbida por el ventilador De igual modo que con otras máquinas de fluido, la potencia absorbida por un ventilador es el producto entre el caudal por la presión, que en este caso puede ser la estática o la total, y divido por el rendimiento del ventilador que puede estar referido a la presión estática o a la total según se indica a continuación:

Donde Q es el caudal en m³/seg, pe es la presión estática en kgf/m² , ηe es la eficiencia (o rendimiento) referida a la presión estática, pt es la presión total en kgf/m² y ηt es la eficiencia (o rendimiento) referida a la presión total (ver fig. 198). Aplicando el teorema de Bernoulli resulta que dicha presión total no es otra cosa que la suma de la presión estática (pe) más la presión dinámica o de velocidad del aire (pd) o sea:

Siendo γ el peso específico del aire, v la velocidad del flujo y s la sección de pasaje del ventilador. En la mayoría de los casos, los fabricantes de ventiladores publican las curvas de performance de sus equipos en función a la presión estática ya que normalmente es un dato del proyecto. La figura 199, se muestra la eficiencia estática máxima que puede alcanzar los diferentes tipos de ventiladores.

Fig. 198

200     

Fig. 199

Como el peso específico γ de un gas varía con la temperatura y la presión para una condición ambiental dada, γ se obtiene a partir de la ecuación de estado de los gases ideales (se desprecia el efecto de compresibilidad y la humedad del fluido):

Con p0, T0 y γ0 que representan los valores de presión, temperatura y peso específico del gas para las condiciones estándar. Para el caso del aire las condiciones estándar son : t0 = 20ᵒC (293ᵒK), p0 = 10332 kgf/m² (101325 Pascales) y γ0 = 1,2041 kgr/m³ ‐

Velocidad específica y diámetro especifico

Para ventiladores geométricamente similares operando a su máxima eficiencia, el caudal, velocidad y presión están relacionados a través de la velocidad específica y el diámetro especifico. La velocidad específica (Ns) son las rpm a la que funciona un ventilador si se reduce de forma proporcional en tamaño de modo que suministre 1 pie³ / min de aire (en condiciones normales de temperatura y presión) a 1 pulgada de agua de presión estática (manométrica). El diámetro especifico (Ds) es el diámetro del ventilador requerido para que suministre 1 pie³/min (en condiciones normales de temperatura y presión) a 1 pulgada de agua de presión estática (manométrica) en una determinada velocidad especifica. Las ecuaciones son:

∙ ,

∙



201     

,



Donde Q es el caudal pies³/min (equivalente a 1,7 m³/h) , pe es la presión estática en pulgadas de agua (manométrica), n es el régimen del ventilador en RPM y D el diámetro exterior del impulsor en pulgadas. Aunque Ns y Ds se usan como si fueran adimensionales, en realidad no lo son, por lo tanto deben emplearse para su cálculo las unidades indicadas en el párrafo precedente. La figura 200 se muestran a Ds y a la eficiencia estática (llamada aquí “Es”) en función al número específico de revoluciones para diferentes tipos de impulsores.

PROBLEMA RESUELTO Nº 1 Un sistema de ventilación requiere de un ventilador que sea capaz de suministrar un caudal de 60000 pies³/min (28,33 m³/s) con una presión estática 45 pulgadas de agua (1106 kg/m²) manométricos y que gire a 1450 RPM. Determinar 1) Tipo de ventilador a emplear 2) Tipo de impulsor 3) Diámetro exterior del ventilador 4) Potencia absorbida por el ventilador Solución: 1) Selección del tipo de ventilador De la fig. 187 surge que el ventilador a emplear es del tipo centrífugo 2) Determinación del tipo de impulso Para establecer el tipo de impulsor se determinara primero el número específico de revoluciones.

∙



,

1450 ∙ √60000 45 ,

20422

De la fig. 200 se observa que para este valor de Ns corresponde un impulsor de alabes radiales  

3) Calculo del diámetro exterior del ventilador (D) De la fig. 200 resulta que para el valor de Ns y tipo de impulsor, el diámetro específico, esto es Ds ≈ 0,725. Recordando que:



∙

,

∙

⇒

,

0,725 ∙ √60000 45

68,56

.

4) Calculo de la potencia absorbida Para calcular la potencia absorbida se debe previamente establecer el valor de la eficiencia estática, la cual se obtiene de la figura 200, que es igual a 55%, por lo tanto:

∙ 75 ∙

28,33 ∙ 1106 75 ∙ 0,55 202 

   

760

203 

    Fig. 200

‐ Leyes de afinidad Si un ventilador debe funcionar en condiciones diferentes de las ensayadas no resulta práctico ni económico efectuar nuevos ensayos para determinar sus prestaciones. Mediante un conjunto de ecuaciones conocidas como leyes de afinidad (para ventiladores), es posible determinar con buena precisión las nuevas prestaciones a partir de ensayos efectuados en condiciones normalizadas. Al mismo tiempo dichas reglas permiten determinar las prestaciones de una serie de ventiladores de diferentes tamaños pero geométricamente semejantes (es decir que todos ellos tienen las mismas proporciones), a partir de un solo ensayo. A estos ventiladores se los denomina homólogos. Estas leyes se basan en el hecho de que 2 ventiladores semejantes sus curvas características son homologas y para puntos de trabajo semejantes tienen la misma eficiencia, manteniéndose entonces todas las razones entre las demás variables. Las variables que atañen a un ventilador son el régimen (n), diámetro exterior del impulsor (D), la presión total (pt), la presión estática (pe), la potencia absorbida (Ne) y la densidad del gas γ. Las ecuaciones son: a) Variación de régimen (con γ y D constantes)

Ventiladores homólogos b) Variación de diámetro (con n y γ constantes)

∙



∙

c) Variación del peso específico ( con D y n constantes)

204     



∙

PROBLEMA RESUELTO Nº 2 Un ventilador axial de 985 mm de diámetro y que gira a 470 RPM suministra un flujo de 12000 m³/h de aire a una presión estática de 6 mm de agua absorbiendo una potencia de 0,32 kW. Si a continuación el mismo es regulado para operar al 70% del régimen original, se requiere determinar: a) El caudal, presión estática y potencia absorbida para esa nueva condición b) Si en lugar de regular la velocidad se requiere reemplazar el ventilador por otro semejante pero de otras dimensiones, indicar cuál será el diámetro que este deberá tener la nueva máquina. c) Las nuevas condiciones de operación del ventilador si el aire a 20ᵒC pasa a una temperatura de 60ᵒC. Solución: a) Calculo del caudal, presión y potencia. Por las leyes de afinidad tenemos que:

b) Calculo del diámetro del ventilador Aplicando nuevamente las leyes de afinidad:

c)..Calculo de las condiciones de operación a 60⁰C Por la ecuación de estado resulta que:

Entonces por afinidad resulta que:

205     

‐ Ventajas y desventajas En general tienen la ventaja de ser la solución más económica (inversión inicial) cuando se requiere grandes volúmenes de aire, gases o vapores a presiones reducidas, dimensiones reducidas y mínimo mantenimiento. Como desventaja es que según sea el caso, resultan de bajo rendimiento y ruidosos. Asimismo, los distintos tipos de ventiladores presentan una serie de ventajas y desventajas a saber: ‐ Ventiladores axiales: Ventajas: Es el mecanismo más simple para mover gases o vapores. Reducidas dimensiones y peso. Fácil de instalar. Funcionamiento reversible Aptos para mover grandes caudales de gases o vapores No se sobrecargan (no se excede la potencia máxima del motor eléctrico) Desventajas: Ruidoso y de menor eficiencia En el caso de los ventiladores axiales de tubo resulta dificultoso desmontar la unidad motriz. La curva de caudal presión presenta una zona inestable que no puede ser aprovechada. Arrancan a plena potencia, por tanto reducen la vida útil del motor eléctrico ‐ Ventiladores centrífugos: Ventajas: Alta eficiencia, mayor presión estática. Amplia gama de aplicaciones. Más silenciosos. Puede operar en un amplio rango de RPM (mediante transmisión a polea) Desventajas: Ocupan mayor espacio. Son más pesados y costosos. Riesgo de sobrecarga.

‐

Información necesaria para la selección de un ventilador

Antes de seleccionar un ventilador es necesario conocer cierta información básica, principalmente: ‐ Caudal ‐ Presión estática o total ‐ Peso específico del gas ‐ Temperatura del gas ‐ Nivel de ruido aceptable (presión sonora o potencia sonora en decibeles) ‐ Tipo de accionamiento disponible ‐ Si el servicio es intermitente o continuo ‐ Cantidad de ventiladores requeridos ‐ Características del gas/vapor/ mezcla de gas y polvo, tales como inflamabilidad, corrosión, abrasividad, toxicidad, etc.. ‐ Dirección de la descarga del ventilador ‐ Protecciones y registros

206     

Rejillas Las rejillas pueden ser rectangulares o circulares. Pueden estar en el techo, en las paredes o en el suelo. Las rejillas pueden ser direccionales, difusoras, concentradoras, etc. Se construyen de chapa o plástico. La figura 201 algunos modelos.

Fig. 201

Conductos y accesorios Se conforman en obra o en taller y se montan en la obra. Se fabrican en chapa de acero galvanizado y pueden ser de sección circular (fig. 202), cuadrada, rectangular (fig. 203) u ovalados con conexiones a brida, cupla, enchufe o grapa y espesores de 0,5 a 1,2 mm dependiendo de la máxima presión de trabajo. Además de conductos se fabrican accesorios tales como codos, tes a 45 y 90⁰, derivaciones (tipo pantalón), reducciones y combinaciones de estos.

Fig. 202

Fig. 203

207     

Compuertas Son los elementos de cierre y regulación o seguridad de las conducciones de ventilación (ver fig. 204). La conforman láminas de chapa o de aluminio que se mueven alternativamente en dirección u otra, permitiendo el cierre total o parcial (regulación de caudales).

Fig. 204

Bocas de entrada y de salida al exterior Uno de los problemas más corrientes es expulsar al exterior el aire viciado, en particular cuando este incluye contaminantes que por sus características no pueden ir a la atmosfera. En estos casos se recurre a filtros y/o separadores de modo de reducir (o eliminar si fuera el caso) la carga de contaminante que se expulsa al medio ambiente. Los extractores deben colocarse de modo tal que no enfrenten al viento predominante. Las bocas de entrada deben encontrarse a poca altura del suelo a fin de asegurar que el aire realice el mayor recorrido posible y a resguardo de la lluvia, polvo y humo. El área de la entrada de aire debe ser al menos 2 veces la del extractor o que la velocidad del aire se encuentre entre 100 a 250 m/min según las características de la instalación. Ambas bocas deben estar suficientemente alejadas entre sí (más de 3 m), evitar la recirculación.

Campanas Este elemento, indispensable en sistemas de ventilación localizada, puede adquirir las más variadas formas, siendo normalmente construidas en chapa galvanizada, plástico, aluminio o acero inoxidable (ver fig. 205).

Fig. 205

208     

Extractores de tiraje Se los emplea como complemento del tiraje térmico en sistemas de ventilación natural. Estos pueden ser giratorios (ver fig. 206) requiriendo del viento para operar. Se construyen en chapa galvanizada y van montados en los techos de locales y naves industriales. En el siguiente cuadro (fig. 207) se dan caudales estimados en función al diámetro del conducto y la velocidad del viento.

Fig. 206

Fig. 207

Dimensionamiento de un sistema de ventilación El sistema de ventilación a emplear (según la clasificación mostrada en la fig. 177) dependerá del objetivo perseguido.. El cálculo del caudal de aire de ventilación puede realizarse en base a tres criterios diferentes a saber: a) Calculo de la ventilación sobre la base de una temperatura limite Se puede plantear que la cantidad de calor que elimina el sistema de ventilación depende del caudal de aire que atraviesa el local, esto es:

∙ ∙ Donde: Q : Caudal de aire q : Cantidad de calor a eliminar en la unidad de tiempo. ce : calor especifico del aire a ingresar al local γ : Peso específico del aire a ingresar al local ti : Temperatura del aire que se quiere mantener en el interior del local en verano. te : Temperatura del aire exterior. Se entiende que ti > te. 209     

b) Calculo de la ventilación sobre la base del contenido máximo de anhídrido carbónico (CO2) Una de las causas más generalizadas de alteración de la condición del aire es el contenido de anhídrido carbónico como consecuencia del proceso respiratorio. En general, cada persona en reposo desprende el 4% en CO2 del volumen total aspirado, siendo el contenido promedio del aire exterior de una gran ciudad del 0,04%. Puede establecerse que la proporción máxima no debe exceder del 0,14% del volumen de aire. En consecuencia, el caudal de aire a introducir está determinado por la siguiente formula:

∙

Siendo: Q: Caudal de aire NP: Número de personas en el interior del local C: Caudal de CO2 eliminado por persona PACa: Porcentaje de CO2 admisible como límite para el local PACv: Porcentaje de CO2 que contiene el aire de ventilación Suponiendo que una persona adulta normal respira alrededor de 0,5 m³/h de aire y adoptando los porcentajes mencionados anteriormente, el caudal de aire de ventilación por persona valdrá:

1 ∙ 0,5

∙ 4%

0,14%

0,04%

20

/

De esta manera, para un local ocupado continuamente (donde fumar está prohibido), la cantidad necesaria de aire por persona para que el contenido de CO2 en el local no supere los límites tolerables debe ser de al menos 20 m³/h. c) Calculo de la ventilación sobre la base de las renovaciones horarias Una manera práctica para la estimación de las cantidades de aire a ventilar es por el método de las renovaciones horarias. Se estima, de acuerdo con el uso del local, las cantidad de veces que es necesario renovar el volumen del local por hora, complementado según el caso con los caudales de aire mínimos por persona. Así por ejemplo en una oficina que tiene 5 metros de frente, 10 metros de fondo y 2 metros de alto, es ocupada continuamente por 6 personas y requiere (según la fig. XXX) 6 renovaciones por hora, esto significa que el caudal de aire será:





∙

∙

∙ 210 

   



5 ∙ 10 ∙ 2

100 ³

6

∙ 100

600

Por otra parte, de acuerdo a lo visto en el punto b, el caudal de aire de ventilación es:

6 ∙ 0,5

∙ 4%

0,14%

0,04%

120

/

De esta forma se adopta un caudal de ventilación de 600 m³/h El movimiento de aire a través del local se puede realizar libremente o a través de conductos dependiendo de las características del recinto, las actividades que se desarrollen en su interior y del sistema de ventilación seleccionado. Para ventilación natural que opera por diferencias de presión de origen térmico y eólico su eficacia depende, como ya se ha mencionado, de las condiciones atmosféricas en el sitio del emplazamiento. Se emplea en general en lugares de clima templado a frio donde pueden obtenerse diferencias de temperatura (entre el interior del local y ambiente exterior) que permitan un alcanzar un tiraje adecuado y donde el número de renovaciones por hora necesario sea bajo. Cuando el salto térmico es insuficiente el tiraje se complementa empleando extractores como el mostrado en la figura XXX. En la ventilación general la diferencia de presión la aportan los ventiladores, lo que permite garantizar la eficacia del sistema. El dimensionamiento adecuado de los conductos requiere de la determinación de las caídas de presión a lo largo de toda la conducción a los efectos de poder garantizar el suministro de aire en las condiciones establecidas.

‐

Dimensionamiento de conductos

Los cálculos sobre la perdida de carga están basados en conductos de sección circular, sin embargo como ya se ha mencionado, también pueden ser cuadrados o rectangulares. La equivalencia entre secciones surge de considerar a las mismas bajo a idéntica caída de presión a igualdad de caudal y mismo coeficiente de fricción. Estas consideraciones resultan en la siguiente formula:

1,3 ∙

∙

, ,

Donde a y b son las dimensiones de los lados del rectángulo. Se recomienda que la relación entre lado mayor y lado menor no sea mayor a 5 a 1, siendo la óptima 1 a 1 (o sea cuadrado). Los métodos de dimensionamiento disponibles son: Método de pérdida de carga constante Método de recuperación estática Método de reducción de velocidad Método de velocidad constante

211     

De ellos, los más comúnmente empleados son el primero y el segundo. El método de pérdida de carga constante que consiste en fijar una pérdida de carga por unidad de longitud, es decir por metro de conducción. Usualmente ésta se fija entre 0,1 y 0,15 mm.c.a. por metro de conducto. Aunque en casos excepcionales puede llegar a 0,5 mm.c.a. La pérdida de carga por unidad de longitud en conducción recta viene dada por la expresión:

∆

8,27 ∙ 10

∙

∙ ²∙

Donde: R : Perdida de carga por unidad de longitud del conducto, en mm.c.a./ m ∆pc: Caída de presión en el conducto, en mm.c.a. L : Longitud del conducto recto, en metros Q : Caudal de aire, en m³/seg λ : Coeficiente de fricción (0,9 para chapa galvanizada) γ : Peso específico, en kgf/m³ Deq: Diámetro equivalente, en metros Además de lo mencionado se deben considerar las pérdidas de carga en los accesorios de conducto (∆pacc) y rejillas de entrada y salida (∆pr). Los accesorios se pueden tratar como longitud equivalente de cañería recta (leq) que genera la misma perdida de carga que el accesorio considerado. Los valores para cada componente pueden obtenerse de la siguiente tabla (fig. 208). Para simplificar los cálculos se omitirán la perdidas de carga por cambio se sección asumiendo que el estrechamiento se realiza de manera suave (con un cono cuyo ángulo es de 20º o menor) siendo dicha perdida despreciable, y tampoco el aumento de presión estática debido a reducciones de velocidad del aire a lo largo del conducto cuyo valor es generalmente muy pequeño.

Fig. 208 212     

La pérdida de carga de los accesorios listados en la fig. XXX resultan igual a:

∆

∙Σ∙

La pérdida de carga de la rejilla de aspiración o impulsión puede establecerse aproximadamente en 10 mm.c.a. Finalmente, la presión estática mínima que deberá suministrar el ventilador vale:

∆

∆

∆

∆

PROBLEMA RESUELTO Nº 3 El sistema de ventilación por impulsión a construir debe suministrar un total de 6000 m³/h distribuido por 2 bocas rejillas dispuestas de sobre una conducción recta y ubicadas a 30 y 60 metros del ventilador. Se pide determinar: a) La dimensiones transversales del conducto (se asume redondo) b) La presión estática que debe entregar el ventilador Datos: γ : 1,29 kgf/m³ λ = 0,9

Solución a) Calculo de las dimensiones de las secciones transversales En el primer tramo las dimensiones del conducto valen:

213     

∆

8,27 ∙ 10

∙

∙

∙

8,27 ∙ 10

∙ 0,9 ∙ 0,15

∙ ∙

∙

∙ ∙

∙

8,27 ∙ 10

⇒

6000 3600

∙ 1,29

1,10

Para el 2º tramo:

∆

8,27 ∙ 10

∙

∙

∙

8,27 ∙ 10

8,27 ∙ 10

⇒

∙ 0,9 ∙ 0,15

3000 3600

∙ 1,29

0,85

b) Calculo de la presión estática a entregar por el ventilador Si la cantidad de rejillas son dos de impulsión, una de aspiración y una de extracción, la presión a suministrar por el ventilador será:

∆

∆

∆

∙

∆

0,15 ∙ 60

1

2

1 ∙ 10

49

. . .

PROBLEMA RESUELTO Nº4 Se debe instalar en un local un sistema de ventilación general por impulsión. Las dimensiones del edificio son 9 metros de frente, 40 metros de fondo y 3 metros de altura y es ocupado por una carpintería. El conducto se instalara a lo largo del local y a la mitad del ancho con 3 rejillas distribuidas uniformemente a lo largo del local, entregando cada una de ellas el mismo caudal de aire. La conducción se completa con 2 curvas a 90º. Determinar (empleando el criterio de las renovaciones de aire por hora): a) Las dimensiones transversales de los conductos (redondo) b) El caudal y la presión estática que deberá suministrar el ventilador Datos: γ: 1,29 kgf/m³ λ = 0,9

214     

Solución a) Calculo de la sección transversal de cada tramo de conducto Primeramente se determinara el caudal de aire, esto es:





∙

∙

∙

9 ∙ 40 ∙ 3

1080 ³

Para este caso el número de renovaciones es 8 (ver fig. 182) , por lo tanto:

8

∙ 1080

8640

De acuerdo con el enunciado la longitud de cañería es 40 m / 4 separaciones X 3 rejillas = 30 metros Adaptando un valor de R = 0,15 mm.c.a. / m, entonces el diámetro del conducto del primer tramo es:

∆

8,27 ∙ 10

∙

∙

∙

⇒

215     

8,27 ∙ 10

∙ ∙

∙

8,27 ∙ 10

∙ 0,9 ∙ 0,15

8640 3600

∙ 1,29

1,3

El caudal total de aire se reparte entre las rejillas de impulsión por lo tanto cada una entrega 8640 /3 = 2880 m³/h Por el tramo 2 de conducto transita un caudal de aire igual a 8640 – 2880 = 5760 m³/h, en consecuencia el diámetro del conducto será:

8,27 ∙ 10

∙ 0,9 ∙ 0,15

5760 3600

∙ 1,29

1,1

Por el tramo 3 de conducto transita un caudal de aire igual a 8640 – 2 · 2880 = 2880 m³/h, en consecuencia el diámetro del conducto será:

8,27 ∙ 10

∙ 0,9 ∙ 0,15

2880 3600

∙ 1,29

0,83

b) Calculo de las prestaciones del ventilador Como el recorrido incluye do codos a 90º, de la fig. XXX, se obtiene la longitud equivalente. La pérdida de carga que los mismos ocasionan resulta igual a:

∆

∙Σ∙

0,15

. . .

∙ 2 ∙ 11

3,3

. . .

1 ∙ 10

57,8

La presión estática que deberá suministrar el ventilador será:

∆

∆

∆

∆

0,15 ∙ 30

3,3

1

3

. . .

‐ Dimensionamiento de campanas La ventilación localizada hace uso de campanas (entre otros colectores) cada vez que se requiera que los contaminantes (polvo, vapores, humos o gases) no se mezclen con el ambiente del local. La figura 209 muestra un caso típico una fuente de contaminación que emana de la superficie de un tanque (por ejemplo combustible evaporándose). Para este caso el caudal de aire captado por una campana rectangular abierta por los cuatro lados resultará igual a: 216     

5000 ∙ ∙

∙

Donde: Q : El caudal de aire más contaminantes o caudal de arrastre (o de captación), en m³/h H : Distancia que separa a la campana del tanque, en metros P : Perímetro de la campana, en metros va : velocidad de arrastre o captación del contaminante (0,25 a 0,9 m/seg para gases y vapores) vc : Velocidad de aire y contaminantes por el conducto, en m/seg ( 15 m/seg, aproximado)

Fig. 209 Como ilustra la figura 209, las dimensiones de la campana deben exceder en un valor igual a 0,4·H respecto a las del tanque, es decir:

2 ∙ 0,4

0,8 ∙

2 ∙ 0,4

0,8 ∙

Siendo L1 y L2 las dimensiones del tanque rectangular, mientras que l1 y l2 corresponden a las dimensiones de la campana. La presión absoluta de succión (ps) en el conducto viene dada por la expresión:

Siendo ∆ps la caída de presión a la entrada al conducto. Esta resulta igual a: 217     

0,49 ∙

2∙

∙

Expresión típica para campanas rectangulares. Asumiendo que el contaminante ingresa a la campana muy diluido se emplea en la expresión anterior el peso específico del aire.

PROBLEMA RESUELTO Nº5 Un tanque rectangular abierto por la parte superior desprende contaminantes producto de la evaporación de solventes por lo que debe colocarse sobre él una campana que capte dicha emisión. Para esta situación se pide determinar: a) El caudal aspirado b) La presión de succión del conducto Datos: Dimensiones del tanque. Largo: 1,8 metros. Ancho 0,8 metros. Separación entre la campana y el tanque 80 cm Solución: a) Calculo del caudal aspirado Primeramente se determinara las dimensiones de la campana, esto es:

0,8 ∙

1,8

0,8 ∗ 0,8

2,44

0,8 ∙

0,8

0,8 ∗ 0,8

1,44

El caudal aspirado surge de la expresión:

5000 ∙ ∙

∙

El perímetro de la campana es:

2∙

2∙

2∙

2 ∙ 2,44

1,44

7,76

Para velocidad de arrastre se adopta el valor promedio, va = 0,575 m/seg, el caudal aspirado es:

5000 ∙ ∙

∙

5000 ∙ 7,76 ∙ 0,8 ∙ 0,575

b) Calculo de la presión de succión a la entrada del conducto La presión absoluta de succión en el conducto es: 218     

17848

/

La caída de presión a la entrada al conducto resulta igual a:

0,49 ∙

∙

2∙

Como vc = 12 m/seg, la perdida de carga vale

0,49 ∙

2∙

∙

0,49 ∙

12 ∙ 1,29 2 ∙ 9,8

4,64

101320,4

4,6

Entonces la presión de succión (absoluta) es:

101325

PROBLEMA RESUELTO Nº6 Se debe instalar una campana rectangular abierta por los 4 lados sobre un tanque con agua hirviendo separados entre sí 1 m. El caudal mínimo de captación es de 125 pies³/min por pie² de superficie de entrada a la campana. Si el tanque tiene 1,5 m de largo y 0,7 m de ancho. Se pide determinar: a) El caudal de captación b) El diámetro del conducto de descarga de modo tal que la perdida de carga no supere los 3,5 Pascales (Pa). c) La altura H si el caudal de captación máximo de la campana fuera de 18000 m³/h Solución: a) Calculo del caudal de captación Recordando que el caudal es igual al producto de la velocidad del fluido por la sección transversal del conducto por donde circula, resulta que la velocidad de captación es igual a:

125 ³/ 1

125

≡ 6,35

Las dimensiones de la campana son:

0,8 ∙

1,5

0,8 ∗ 1

2,3

0,8 ∙

0,7

0,8 ∗ 1

1,5

El perímetro de la campana es:

2∙

2∙

2 ∙ 2,3

2∙ 219 

   

1,5

7,6

El caudal aspirado es:

5000 ∙ ∙

∙

5000 ∙ 7,6 ∙ 0,8 ∙ 0,635

19304

/

b) Calculo del diámetro del conducto Recordando la expresión de cálculo de la pérdida de carga:

0,49 ∙

∙

0,49 ∙

2∙

∙ 2,5 ∙

∙ 2 ∙ 9,81

40 ∙ 19304 ∙ 1,29 3600 2,5 ∙ ² ∙ 3,5

∙

2,5 ∙

²∙ 16

∙

⇒

∙

⇒

∙

∙ 40 ∙

0,65

c) Calculo de la altura H El caudal de captación es igual a:

5000 ∙ ∙

∙

5000 ∙ 2 ∙ 0,8 ∙

5000 ∙ 2 ∙

0,8 ∙ 1,6 ∙

5000 ∙ 2 ∙ 1,6 ∙

10000 ∙

∙

⇒

1,6

∙

1,4375 ∙

∙

∙

∙

∙

∙ ∙

10000 ∙

∙

∙

⇒ ∙

1,6 ∙ ²

1,6 ∙ ² ⇒

0

16000 ∙ 1,77

0

La solución a una ecuación de 2º grado es:

1,4375

1,4375 2∙1 220 

   

4∙1∙

1,77

0,79

⇒