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PDVSA MANUAL DE DISEÑO DE PROCESO COMPRESORES

PDVSA N °

MDP–02–K–05

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MAY.96

REV.

FECHA

APROB.

E1994

TITULO

VENTILADORES

APROBADO

20 DESCRIPCION FECHA MAY.96

PAG. REV. APROB.

F.R. APROB. APROB. FECHA MAY.96

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Indice 1 OBJETIVO . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

2

2 ALCANCE . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

2

3 REFERENCIAS . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

2

4 DEFINICIONES . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

3

5 CONSIDERACIONES DE DISEÑO, CLASIFICACION Y APLICACIONES 7 5.1 5.2 5.3

Clasificación de Ventiladores . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Ventiladores Axiales . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Ventiladores Centrífugos . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

7 7 10

6 GUIA PARA EL DISEÑO . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

15

7 NOMENCLATURA . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

16

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1

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OBJETIVO El objetivo de éste capítulo es presentar los fundamentos teóricos que permitan una comprensión de la terminología usada en ventiladores.

2

ALCANCE Este Capítulo presentan las definiciones básicas y consideraciones relevantes como una introducción general a la utilización de ventiladores en servicios de proceso de planta. Una cobertura más específica se presenta en el Manual de Diseño de Proceso (versión 1986) en Sección 8G “Hornos” (Sistemas de Tiro Forzado).

3

REFERENCIAS Prácticas de Diseño (versión 1986). Vol. IV, Sección 8 Vol. VI, Sección 9 Vol. VII, Sección 11

“Hornos: Sistemas de Tiro Forzado” “intercambiadores de Calor Enfriados por Aire” “Compresores”

Manual de Ingeniería de Diseño Vol. 8 “Intercambiadores de Calor”; Especificación de Ingeniería PDVSA–90617.1.042. “Intercambiadores de Enfriados por Aire” Vol. 8 “Intercambiadores de Calor”; Especificación de Ingeniería PDVSA–EF–202–R “Torres de Enfriamiento de Tipo Inducido (No combustible)”. Vol.14 “Equipos Rotativos”; Especificación de Ingeniería PDVSA–GB–201–R “Compresores Centrífugos”. Vol.14 “Equipos Rotativos”; Especificación de Ingeniería PDVSA–GB–205 “Ventiladores Centrífugos”. Otras Referencias API Standard 661, Air Cooled Heat Exchanger for General Refinery Services. Kenny, R.S., “Fans and Blowers”, Machine Design, March 14, 1968. Hichs, T., “Power’s Handbook on Fans”, Power Magazine (McGraw–Hill), Oct. 1951. Ludwig, E. E., “Applied Process Design for Chemical and Petrochemical Plants”, Volume 5, Gulf Publishing Company, 1983. Baumeister, T., “Marks Mechanical Engineers’ Handbook”, 9th ed, Subsection on Centrifugal and Axial Fans, Mc Graw–Hill, 1967.

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Osborne W.C., “The selection and use of fans”, Oxford University Press, 1979 ASHRAE Guide and Data Book, 1979 Equipment Volume, American Society of Heating, Refrigerating and Air–Conditioning Engineers, Inc.

4

DEFINICIONES La nomenclatura y definiciones aqui presentadas son aquellas usadas convencionalmente en el campo de la ingeniería de ventiladores. Ellas son algo diferente de los símbolos y definiciones aplicados comúnmente a los servicios de compresión y al diseño de la planta de proceso, y aquí se presentan como una referencia conveniente para el diseñador del proceso. Ventiladores Los ventiladores son máquinas diseñados para mover grandes volúmenes de flujo a baja presión. Ellos emplean un tipo de impulsor con un rango de velocidades de 20 a 180 m/s (70 a 600 pie/s), muchos modelos están limitados a 60 a 75 m/s (200 a 250 pie/s). Los compresores centrífugos, en contraste, generalmente operan a un máximo de 200 a 300 m/s (700 a 1000 pie/s). La diferencia entre ventiladores y compresores es arbitraria y ha sido colocada en un incremento de densidad del 7% por las pruebas de las normas ASME correspondiente a una relación de presión de 1.1 o a un aumento de presión atmosférica de 10 kPa (40 pulg. agua). El término general “soplador” es a menudo usado como sinónimo de “ventilador” o compresores de baja presión de varias clases. Sin embargo, “soplador” no tiene una definición explícita y se debería evitar su uso. Presión La presión desarrollada en ventiladores procede de dos fuentes: La fuerza centrifuga debida a la rotación de un volumen encerrado de gas o aire y la velocidad impartida al aire o el gas por las aletas. La fuerza centrifuga desarrollada por el rotor produce una compresión del aire o el gas que se denomina presión estática; La velocidad impartida por las aletas del ventilador es convertida parcialmente en presión por la caja del ventilador, en forma espiral o caracol. La Presión Total de operación Pt en un punto cualquiera, es la suma de la presión estática más la presión de velocidad; esto puede ser escrito de acuerdo a la ecuación Ver Figura 1. Pt = Ps + Pv

Ec.(1)

La presión total de un ventilador, PTV el aumento de la presión total desde la entrada del ventilador a la salida. Es medida por la lectura del diferencial entre las caras de los tubos de impacto del gas que fluye por la entrada del ventilador y que descarga por lo ductos (por los lados). Para un ventilador de aire atmosférico, manual, sin ducto de entrada, la presión total en el lado de entrada, Pt, es cero

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(manométrica) y Pt en el lado de la descarga es igual al PTV. La presión total de un ventilador, como el cabezal de un compresor, es la medida del incremento de energía impartida por el ventilador al gas que fluye, pero por unidad de volumen como base en vez de ser por unidad de masa. La presión de velocidad de un ventilador, PVV, es la presión debida al promedio de velocidad a través de la salida del ventilador, Vm. PVV = F7 ρ (Vm)2

Ec.(2)

donde:

PVV = Presión de Velocidad de un Ventilador r=

Densidad del gas en la salida del ventilador

Vm = Q/A (m/p)

En unidades métricas

En unidades inglesas

kPa

pulg H2O

kg/m3

lb/pie 3

m/s

pie/min

Q=

Velocidad de flujo volumétrico real a las condiciones de salida

m3/s

pie3/min

A=

Area transversal a la salida del ventilador

m2

pie2

F7 =

Factor cuyo valor depende de las unidades usadas

5x10–4

1/1.203x10 6

Para aire a “condiciones estándar” 20°C (70°F), ρ = 1.2014 kg/m3 (0.075 lb/pie3) y PVV = 6.007 x 10–4 Vm2 (PVV = (Vm/4005))2 El PVV está indicado por la lectura diferencial entre un tubo de impacto encarando la dirección del flujo del aire a la entrada del ventilador y la lectura estática normal del flujo de aire en la salida del ventilador. La presión estática de un ventilador, PEV, es la diferencia entre la presión total y la velocidad de presión del ventilador. La presión estática es indicada por la lectura diferencial del tubo de impacto encarando la dirección del aire en la entrada del ventilador, y la lectura estática normal al flujo de aire en la salida del ventilador. La magnitud de ésta presión estática desarrollada depende de la razón de la velocidad del aire que sale de las puntas de las aletas a la velocidad del aire que entra al ventilador en la base de las aspas. Por consiguiente, cuando más largas son las aletas, tanto mayor será la presión estática desarrollada por el ventilador. Densidad La Densidad del Aire a Condiciones Estandar es 1.2014 kg/m3 (0.075 lb/pie3) correspondiente a una temperatura ambiente de 20°C (70°F) y a una presión ambiente de 101.325 kPa (14.7 psia). La densidad del aire puede ser evaluada en términos de condiciones ambientales por:

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ò+

ρ

= Densidad del aire

PB

= Presión barométrica

T

= Temperatura

F8

=

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F 8P B T

Ec. (3)

Factor cuyo valor depende de las unidades usadas

En unidades métricas

En unidades inglesas

kg/m3

lb/pie3

kPa

pulg Hg

°k

°R

3.492

1.325

La densidad a condiciones estándar del gas combustible es 1.252 kg/m3 (0.078 lb/pie3), correspondiendo a las mismas condiciones estándar (20°C y 101.325 kPa (70°F y 14.7 psia)) y M = 30.2. Las correcciones deben realizarse para convertir la densidad estándar a densidad a temperatura y presión particular. Otros Términos: La unidad de presión es un kilopascal (una columna de una pulgada agua (densidad de agua 62.4 lb/pie3)). El volumen (flujo) manejado por un ventilador es el número de metros cúbicos de aire por segundo (pie cúbicos de aire por minuto) expresado a las condiciones de salida del ventilador. El área de salida del ventilador, es el área interior de la abertura a la salida del ventilador, en metros cuadrado (en pies cuadrado). La potencia de salida del ventilador es la potencia suministrada a la corriente de aire y es llamado caballaje de potencia del aire. Esta está basada en el volumen manejado por el ventilador y la presión total del ventilador. Pa = F9 Pt Q

(Ec.(4)

donde:

Pa =

Caballaje de potencia condiciones estándar

de

aire

a

F9 =

Factor cuyo valor depende de las unidades usadas

Pt=

Presión total

En unidades métricas

En unidades inglesas

kW

Hp

1

1.57 x 10–4

kPa

pulg H2O

El caballaje de potencia para gases diferentes al aire o para aire por debajo de condiciones no estándar es obtenido por la multiplicación de valores cercanos a

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la relación de la densidad real con la densidad del aire estándar 1.2014 kg/m3 (0.075 lb/pie3). Potencia de la Presión Estática – En algunos servicios de ventiladores, la presión de velocidad es malgastada (es decir, no es convertida especialmente) y solamente la presión estática es utilizada. La presión estática, Ps, puede ser sustituida por Pt para obtener la potencia de la presión estática. La potencia de entrada para un ventilador, es la potencia entregada en el eje del ventilador. Eficiencia Mecánica de un Ventilador, es la relación entre la potencia de salida y la potencia de entrada. Eficiencia Estática de un Ventilador es la eficiencia mecánica multiplicada por la relación de presión estática a presión total. es +

em P s Pt

del aire + PF, KWńHP + Potencia e m

Ec. (5)

Potencia de la presión Estática es

Ec. (6)

Velocidades Específicas de Ventiladores – El rendimiento característico de los ventiladores axiales y centrífugos son convenientemente anulados, predichos y comparados con el uso del parámetro de “velocidad específica del ventilador”, el cual caracteriza el uso del impulsor. La velocidad específica es la velocidad en rev/s a la cual se podría operar un ventilador si se redujera proporcionalmente en tamaño para entregar 1 m3/s contra una presión estática de 1 kPa (es la velocidad en rpm a la cual se podría operar un ventilador si se redujera proporcionalmente en tamaño para entregar 1 pie3/min contra una presión estática de 1 pulg de H2O):

ǒ Ǔ

1ń2 ò Ns + N Q (P s) 3ń4 F 10

0.75

Ec. (7)

donde:

Ns=

Velocidad específica

F10=

Factor cuyo valor depende de las unidades usadas

En unidades métricas

En unidades inglesas

rev/s

rpm

1.2014

0.075

Diámetro Específico es el diámetro de un ventilador requerido para entregar 1 m3/s de aire a condiciones estándar (1.2014 kg/m3) contra una presión estáticas

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de 1 kPa dada la velocidad específica (diámetro de un ventilador requerido para entregar 1 pie3/min de aire a condiciones estándar (0.075 lb/pie3) contra una presión estática de 1 pulg de H2O dada la velocidad específica).

5

CONSIDERACIONES DE DISEÑO, CLASIFICACION Y APLICACIONES 5.1

Clasificación de Ventiladores Los ventiladores son clasificados en dos tipos generales: axiales (donde el aire o el gas se mueve paralelo al eje de rotación) y centrífugos (el aire o el gas se mueve perpendicular al eje). Flujo Axial: 1.

Ventiladores de hélice (o propela): Usado para mover grandes cantidades de aire y baja presión estática. Comunmente usado para ventilación en general. Se clasifican de acuerdo al tipo de propela usada: de disco usada para el movimiento de aire limpio donde no hay ducto; y de tubo axial diseñados para mover el aire en un amplio rango de volúmenes a presión media.

2.

Ventiladores con aletas de guía Diseñados para mover aire o gases en un amplio rango de volúmenes y presiones. Construido con un diseño aerodinámico se logran desarrollar altas presiones.

Flujo Centrífugo Se construyen de dos tipos generales: de paletas rectas o placas de acero, de hojas curvas hacia adelante y de hojas curvas hacia atrás.

5.2

Ventiladores Axiales 1.

Ventilador de Hélice – Aplicaciones – Los ventiladores de hélice utilizan álabes largos sobre pequeños pernos para mover grandes volúmenes, a presiones en el rango de 0 a 0.25 kPa (0 a 1 pulg de agua). Ellos normalmente están colocados dentro de un orificio o abertura, especialmente perfilado, pero con poco o sin ningún canal en ambos lados. Los extractores de pared o techo (como “ventiladores de ático”) y ventiladores de pared son ejemplos de género sencillo y de baja potencia. Las torres de enfriamiento y ventiladores de intercambiadores de calor enfriados por aire son ejemplos de géneros mecanizados de alta potencia.

2.

Eficiencia – La eficiencia puede ser tan baja como de 10 a 20% para orificios de diseño rústico. Las hojas anchas del tipo de ventiladores doméstico tienden a ser silenciosas pero de baja eficiencia. Los álabes angostos son más eficientes pero producen mayor ruido.

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La eficiencia estática de los ventiladores de hélice de álabes largos, típicamente es de 30 a 35%. Las velocidades de rotación están limitadas a 60 m/s (200 pie/s) para limitar la generación de ruido. El promedio de la velocidad a través del área del ventilador esta en el rango de 6 a 13 m/s (1200 a 2500 pie/min). Para una buena distribución del flujo de aire en los intercambiadores de calor enfriados por aire, el diámetro del ventilador es seleccionado de manera tal que el área del ventilador sea mayor del 40% del área base total del banco de tubo. La eficiencia es típicamente 20% más baja que para el tipo de tubo axial si la abertura parcial (u orificio) es diseñada para transición de flujo lento. 3.

Diseño de Orificio – El orificio o apertura en el cual un ventilador de hélice “parcialmente sellado” es colocado afecta significativamente el funcionamiento del ventilador. Los tipos más comunes de orificios son los ilustrados en la Fig. 2 debido a que el diseño del orificio y la posición del ventilador influyen significativamente en el funcionamiento. Las clasificaciones de los fabricantes de ventiladores están basadas en orificios de tipos y dimensiones específicas. Los factores en la configuración del orificio que afectan el funcionamiento del ventilador son: a.

Tolerancia para Tipos de Hojas 1.5 a 2% (tolerancias diametral sobre el diámetro del ventilador) típicamente es el nivel óptimo, comprometiendo alta eficiencia con fabricación práctica. API estándar 661 específica 0.5% o 13 mm (1/2 pulg), el que sea más grande.

b.

Profundidad Axial del Orificio – Un radio de bocina del 10% el diámetro del ventilador sobre el lado de salida optimiza la eficiencia estática y acorta la profundidad.

c.

Posición del Ventilador – La proyección de la profundidad axial de los álabes del ventilador más alta del lado de la descarga del orificio, debe ser alrededor de 1/3 del total de la profundidad del álabe, para así lograr un mejor modelo de la curva de capacidad de presión y eficiencia.

d.

Tipos de Orificios – De los tres tipos comunes, de borde afilado, bocina y cilíndrico, la bocina tiene las formas de las curvas de presión estática más pequeña. Los orificios más simples y baratos son los de borde afilado.

Torres de Enfriamiento y Ventiladores de Intercambiadores de Calor, Enfriados por Aire. Los ventiladores de hélice de baja velocidad emplean un número pequeño de álabes largos y delgados usados para pasar el aire enfriado a través de las torres de enfriamiento e intercambiadores de calor enfriados por aire. Los ventiladores comúnmente son usados para inducir el tiro en las torres de

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enfriamiento (es decir, en el tope del dibujo de las torres de aire ascendente) y para el tiro forzado en intercambiadores de calor (es decir, debajo del banco de tubo soplando hacia arriba). El aumento de presión estática para esos servicios típicamente está cerca de 0.12 kPa (0.5 pulg de agua). En unidades de torres de enfriamiento, los motores horizontales y accionadores de engranaje de ángulo recto usualmente son usados en grandes sistemas de ejes acoplados para conveniencia del montaje del motor. En unidades de intercambiadores del calor, los accionadores de correas son los más usados. Para torres de enfriamiento se utilizan de 4 a 8 álabes con un diámetro de rotor de 6 a 8.5 m (20 a 28 pie) (largo de la torre). Los motores de dos velocidades comúnmente son usados para un mejor control. El rendimiento puede ser ajustado manualmente cambiando el ángulo del álabe. La clasificación de potencia para torres grandes, típicamente es de 75 a 150 kW (100 a 200 HP) (0.18 a 0.20 kW por dm3/s capacidad de agua (15 a 20 HP por 1000 gpm de capacidad de agua)). Los álabes son construídos de aluminio o de fibras de vidrio reforzados para que resistan la corrosión. Los ventiladores de intercambiadores de calor enfriados por aire tienen de 4 a 12 álabes, los de 6 son los más comunes. El rango de diámetros de rotores va desde 1.2 a 5.5 m (4 a 18 pie) siendo los de 2.5 a 4.5 m (8 a 14 pie) los más construidos. La clasificación de la potencia típicamente es de 7.5 a 30 kW (10 a 40 HP) por ventilador. Los álabes de ventiladores de paso variable, accionadores de dos velocidades y rejilla de ventilación ajustable son usados como control. Los detalles en la selección del modo de controlar se incluyen en las Prácticas de Diseño (versión 1986) Vol. V Secc. 9I, “Intercambiadores de Calor Enfriados por Aire”. Axial versus Centrífugos – Los ventiladores axiales tienden a ser menos costosos en el rango elevado de alto voltaje y baja presión. El tipo de ventilador axial con salidas cercanas y aletas de estator tienen el mismo nivel de eficiencia que los ventiladores centrífugos, pero otros tipos axiales tienen menos eficiencia. Los ventiladores centrífugos generalmente son más fáciles de controlar, silenciosos, resistentes y versátiles que los axiales y tienen más aplicación para hornos de corrientes forzadas y servicios de procesos generales de plantas. Los axiales siempre se usan para torres de enfriamiento e intercambiadores de calor enfriados por aire, y son comunes en servicios de ventilación industrial. Los axiales tienden a ser más ruidosos que los centrífugos, especialmente para las presiones superiores a 1.3 kPa (5 pulg de agua). Aleta de Guía Axial y Tubo Axial – Estos tipos de ventiladores son diseñados para instalaciones interiores en conductos redondos, usando un caudal de corriente anular alrededor del rotor. Las aletas de guía axial emplean aletas de estator para dirigir el aire aguas arriba y/o aguas abajo del rotor a ángulos seleccionados para mayor eficiencia. Las aletas de guía axial adquieren eficiencias de 40 a 65% contra presiones de 0.12 a 1.5 kPa (0.5 a 6 pulg de agua).

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Aletas axiales especiales de alto funcionamiento son diseñadas para presiones de 4 a 16 kPa (16 a 65 pulg de agua), algunas veces multietapas. Los tubos axiales usan rotores de soporte propulsores de gran potencia con aumento a 8 hojas anchas, pero no tienen aletas estacionarias. La presión estática máxima es de 0.6 a 0.7 kPa (2.5 a 3 pulg de agua). La eficiencia es de 35 a 55%.

5.3

Ventiladores Centrífugos Aplicaciones – Los ventiladores centrífugos son aplicados en calderas y en servicio de calentadores de tiro forzado y servicio de recirculación de gas caliente, sistemas limpiadores de polvo y en equipos y construcción de sistemas de ventilación. Comparación General de Tipos de Ventiladores – Los ventiladores centrífugos son rutinariamente aplicados para incrementar la presión a unos 10 kPa (40 pulg de agua), existen modelos especiales a 22.5 kPa (90 pulg de agua). El bastidor es fabricado de láminas planas y curvas. Los impulsores de los ventiladores centrífugos están construidos en tres tipos principales de impulsores, caracterizados por la orientación del extremo de los álabes del impulsor: extremo inclinado hacia atrás, extremo radial y extremo inclinado hacia adelante. El ángulo del extremo (final de la descarga; el final de la entrada del álabe es llamado base) relativo para la dirección de rotación es el factor más importante que determina el rendimiento y otras características. Algunas otras variaciones, tienen menor efecto sobre las características de los ventiladores. Las características generales de los tres tipos pueden compararse tal como se muestra en la siguiente tabla. CARACTERISTICAS RELATIVAS DE VENTILADORES CENTRIFUGOS Características

Extremos Inclinados Hacia Atrás

Extremo Radial

Extremo Inclinado Hacia Adelante

Costos Iniciales

Alto

Mediano

Bajo

Eficiencia

Alto

Mediano

Bajo

Bueno

Bueno

Pobre*

Estabilidad de operación Requerimiento Espacio

de

Mediano

Mediano

Pequeño

Requerimiento Velocidad en Extremos

de los

Alto

Mediano

Bajo

Resistencia a la Abrasión

Mediano

Bueno

Pobre

Habilidad para Manejar Materiales Viscosos

Mediano

Bueno

Pobre

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Características

Extremos Inclinados Hacia Atrás

Extremo Radial

Extremo Inclinado Hacia Adelante

Adecuado para Corrosión/ Revestimiento resistente a la Erosión

Mediano

Alto

Pobre

Adecuado Aplicación de Temperaturas

Regular

Alto

Bueno

Cerrada

Largo

Mediano

Bajo

Alto

Más bajo

para Altas

Intersticio de Sólida Generación de Ruido

Las propiedades de los impulsores típicos de estos tipos comunes son los siguientes: * Puede ser estable con controles propios y sistemas de diseño. Tipo de Impulsor

Relación diámetro de entrada diámetro de la rueda

Relación ancho al diámetro

Extremo inclinado hacia atrás

0.75

0.26

Extremo radial (curvo hacia adelante hasta la base)

0.78

0.35

0.50 – 070

0.38 – 048

0.88

0.55

Extremo radial (plano) Extremo adelante

inclinado

hacia

Número de Alabes – El número de álabes en un impulsor de un ventilador centrífugo es seleccionado por el diseñador del ventilador de acuerdo a varios factores óptimos: 1.

Un gran número de álabes minimiza del deslizamiento, por tanto incrementa el aumento de presión y capacidad.

2.

Un gran número de álabes provee una estructura altamente rígida (impulsor cerrado).

3.

Un pequeño número de álabes minimiza el costo de manufactura de unidades de pequeña capacidad.

El número típico de álabes de impulsores es como sigue: Ver Fig. 3 para las formas de las curvas de rendimiento típico, para cada uno de estos tipos.

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Tipo de Impulsores

Número de Alabes

Extremo Curvado hacia atrás, álabe de espesor delgado

12 a 16

Extremo curvado hacia atrás, álabe de forma aerodinámica

8 a 12

Extremo radial, tipo de alta presión

10 a 24

Extremo radial, tipo escape

5 a 10

Extremo inclinado hacia adelante

32 a 64

Alabe de Extremo Inclinados hacia Atrás 1.

Los tipos más comunes son los de servicio de tiro forzado

2.

Los tipos de mayor eficiencia, del 65 al 80% con álabes delgados, del 80 al 90% tienen álabes aerodinámicos. La curva de requerimiento de potencia con un máximo, por lo tanto no se sobrecargará a alto flujo y baja presión.

3.

La curva de presión tiene una gradual declinación de presión en el lado de baja presión del punto pico de presión.

4.

Variedades de álabes: álabes curvos, planos y de superficie aerodinámica

5.

Se requieren velocidades mayores para otros tipos de ventiladores centrífugos, para las mismas condiciones de servicio.

6.

Una alta proporción de la presión desarrollada, está en forma de presión estática.

Alabe de Extremo Radial 1.

Es el tipo más común para servicios de inducido en la succión.

2.

Es usado en servicios de sólidos aerotrasportados e impuros.

3.

Usados en largos períodos de trabajo.

4.

Son álabes protegidos contra erosión y corrosión.

5.

La eficiencia está en un rango entre 50% y 70% con un 20% típico de presión desarrollada como velocidad.

6.

Los requerimientos de potencia se incrementan continuamente a medida que el flujo aumenta.

7.

Los tipos radiales con curvaturas hacia adelante permiten mejor eficiencia, álabes más cortos y mayores velocidades.

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Alabes de Extremo Inclinado hacia Adelante 1.

Escasamente usados en servicios de procesos.

2.

Comúnmente se usan en calentamiento residencial y sistemas de aire acondicionado.

3.

“Jaula de Ardilla” construcción con gran número de álabes bajos.

4.

Requerimientos de baja velocidad lo que permite bajo nivel de ruido.

5.

Eficiencia de 55 a 75%.

6.

Tiene una penetración en la curva de presión sobre el lado de baja presión del punto pico de presión.

7.

La curva de potencia se incrementa severamente a medida que el flujo aumenta requiriendo cuidadosa selección del accionador y del sistema de control.

8.

Limitado a servicios de limpieza.

9.

Su funcionamiento generalmente no es estable a velocidades del impulsor superiores a 20 m/s (65 pie/s).

10. Su capacidad de desarrollo es 10 veces mejor que la de un ventilador axial a la misma velocidad. Ventiladores para Servicios a Altas Temperaturas – Los modelos de ventiladores centrífugos están disponibles para temperaturas de gases hasta 540°C (1000°F), para servicios con tiro de combustión inducida y recirculación de gases calientes. Los impulsores para circulación de aire están colocados en el eje entre la carcaza y los cojinetes, a fin de proteger los cojinetes y el acoplamiento de altas temperaturas. Los cojinetes lubricados con sistemas de circulación de aceite se utilizan en estos casos. La velocidad empleada por el diseñador del ventilador para servicios a altas temperaturas es menor que las velocidades usadas para servicios a temperatura ambiente, típicamente hasta un 96% máximo a 230°C (450°F) y 75% a 425°C (800°F). Los impulsores radiales son usados normalmente de tal forma que la altura requerida puede ser obtenida con un mínimo de velocidad. Se deberá consultar con los especialistas en maquinaria cuando se consideren aplicaciones específicas.

5.4

Sopladores de Presión Una clase de pequeños ventiladores centrífugos de alta presión existen entre el rango normal 10 kPa (40 pulg de agua) y el bajo extremo de los compresores centrífugos de alta resistencia (r = 1.3). Estas máquinas son llamadas ventiladores de presión, turbo–sopladores y sopladores centrífugos. Máquinas de esta clase

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producen presión hasta de 22.5 kPa (90 pulg de agua) para flujos de alrededor de 1.4 m3/s (3000 pie3/min). Normalmente son usados impulsores radiales especialmente diseñados para altas velocidades. Algunos modelos emplean multietapa. Los servicios en este rango requieren de especificaciones individuales, ya que las especificaciones estandarizadas no están disponibles.

5.5

Servicios en Hornos de Tiro Forzado Ver Prácticas de Diseño (versión 1986) Sección 8G “Hornos, en Sistemas de Tiro Forzado”.

5.6

Control de Ventiladores Centrífugos Los métodos comunes de control de los ventiladores centrífugos (el primero de los tres es disponible para operación manual o automática) aplicados en servicios de procesos de planta son los siguientes: Guías Móviles en los Alabes de Entrada estas son posicionadas para responder a la señal de control por la variación del ángulo de prerotación del gas de entrada y por lo tanto, de la variación de cantidades de trabajo del ventilador para poder convertirla en presión. Este método es eficiente pero requiere de equipos más costosos que los reguladores. La potencia consumida con el control de los álabes internos hasta un 75% del flujo normal es alrededor del 75% de la normal, contra casi el 90% de la normal con los reguladores de salida. Este método de control es recomendado para calentadores accionados por motor y ventiladores de calderas. Los reguladores de los orificios del flujo de gas, (cualquiera de los dos, ya sea en la entrada o salida del ventilador) se utilizan para variar la curva de resistencia del sistema, y por lo tanto, mueven el punto de operación a lo largo de la curva presión/flujo del ventilador. Este método malgasta la potencia a bajo flujo, pero utiliza equipos de bajo costo. Los Impulsores de las Turbinas a Vapor con Velocidades Variable – mueven las curvas presión/flujo hacia arriba y abajo por las leyes de los ventiladores, a fin de ajustar el flujo. Este método es eficiente pero requiere que la turbina a vapor sea lo más económicamente seleccionada y requiere un regulador más costoso que el normalmente suministrado con la turbina a vapor, de propósitos generales. La capacidad de presión a la descarga del ventilador, decrece a medida que la velocidad es reducida, y esto no es conveniente en algunos servicios de ventiladores. El control de las velocidades variables puede venir acompañado con motores de velocidad variables o motores de velocidad constante con acoplamiento de fluido o acoplamiento magnético. Estos son escasamente usados debido al incremento en costo de equipos y mantenimiento. La transmisión por correas en V permiten un ajuste en el rendimiento del ventilador, por medio de un cambio manual en las poleas. Este método de las

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correas es ampliamente aplicado para ventiladores de grandes diámetros con velocidades por debajo del nivel de velocidades de un motor de 6 polos (16 a 19 rev/s (960 a 1150 rpm)), para tamaño de accionadores por encima a 115 kW (150 HP) y para servicios generales. Estos comúnmente se usan en ventiladores de intercambiadores enfriado con aire. La transmisión por correas en V puede ser utilizada en conjunción con las guías de los álabes y reguladores. Los cambios del rendimiento resultan de los ajustes en las velocidades, y podrían estimarse si se utilizan los álabes de los ventiladores Ver Prácticas de Diseño (versión 1986) Sección 11E “Compresores Centrífugos”. Requerimientos para el Diseño y Construcción de Ventiladores Centrífugos Para servicios donde la unidad funciona largos períodos, menores de 8000 horas, los especialistas en maquinarias dan asistencia para determinar la excepciones que deben tomarse para minimizar costos en equipos. Hornos de reformación catalítica y calderas a vapor con ventiladores de tiro forzado algunas veces requieren menos de 8000 horas de funcionamiento continuo y en consecuencia permite el uso de ventiladores de propósito general.

5.7

Curvas de Rendimiento de los Ventiladores La Figura 3 presenta curvas de rendimiento típicas de varios tipos de ventiladores comunmente usados.

6

GUIA PARA EL DISEÑO Ver PDVSA–MDP–02–K–02 para los procedimientos a ser seguidos para servicios de compresores generales. Alguno de los pasos pueden ser omitidos para el diseño de servicio de ventiladores. Ver Prácticas de Diseño, (versión 1986) Vol.V, Sec. 9 para procedimientos de diseño de intercambiadores. Ver Prácticas de Diseño, (versión 1986) Vol.IV, Sec. 8 para procedimientos de diseño de servicio de ventiladores de tiro forzado de hornos. Para otros tipos y servicios de ventiladores, consultar con especialistas en maquinarias.

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NOMENCLATURA En unidades métricas

En unidades inglesas

m2

pie2

A=

Area transversal a la salida del ventilador

em =

Eficiencia mecánica

adim.

adim.

es =

Eficiencia estática

adim.

adim.

N=

Velocidad

rev/s

rpm

Fi =

Factor cuyo valor depende de las unidades usadas (ver tabla al final)

Pa =

Potencia del aire

kW

HP

PB =

Presión barométrica

kPa

pulg de Hg

Ps =

Presión estática del caudal

kPa

pulg de agua

Pt =

Presión total del caudal

kPa

pulg de agua

Pv =

Presión del caudal de velocidad

kPa

pulg de agua

kPa

pulg de agua

kW

HP

PVT = Aumento de la presión total del ventilador

kPa

pulg de agua

Aumento de la presión de velocidad de un ventilador

kPa

pulg de agua

Q=

Flujo a la descarga

m3/s

pie3/min

T=

Temperatura

°k

°R

m/s

pie/min

kg/m3

lb/pie 3

PEV = PF =

PVV =

Vm = ρ=

Aumento de ventilador

la

presión

estática

de

Potencia al freno

Velocidad promedio de flujo Densidad

Factores cuyo valor depende de las unidades usadas En unidades métricas

En unidades inglesas

F7= Ec.(2)

5 x 10–4

1/11.20 3 x 10–6

F8 = Ec. (3)

3.492

1.325

F9= Ec. (4)

1

1.57 x 10–4

1.2014

0.075

F10 = Ec. (7)

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Fig 1. METODOS PARA MEDIR PRESIONES EN UN DUCTO DE AIRE

Nota: Presión kPa (Pulg. de H2O)

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Fig 2. ORIFICIOS PARCIALES EN CARCAZA DE VENTILADORES AXIALES

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Fig 3. CURVAS DE RENDIMIENTO TIPICO DE VENTILADORES COMUNMENTE USADOS