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PDVSA
MANUAL DE DISEÑO DE PROCESO
COMPRESORES
PDVSA N °
MDP–02–K–05
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REV.
FECHA
APROB.
E1994
TITULO
VENTILADORES
APROBADO
20
DESCRIPCION
FECHA MAY.96
PAG. REV.
APROB.
F.R.
APROB. APROB.
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ESPECIALISTAS
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PDVSA
VENTILADORES
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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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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