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CAPÍTULO 3: Cálculo, diseño de ductos y balanceo de sistemas de ventilación

IntroducciónEste tema relacionado con el balanceo de sistemas de ventilación es sugerido por la American Conference of Governmental Industrial Hygienist, 2007, donde se tiene en cuenta los métodos para balancear sistemas de ventilación y la corrección de cambios de velocidad en los procesos.

Los procedimientos de cálculo que se exponen a continuación son esenciales para determinar los diámetros de los conductos y la pérdida de energía en un sistema de extracción localizada. Estos resultados, junto con el caudal, sirven para determinar el tamaño y tipo de ventilador, la velocidad de giro y la potencia necesaria.

Etapas PreliminaresEl diseñador debe disponer de los datos siguientes:

Distribución en planta de las operaciones, locales de trabajo, edificio, etc. Esquema del sistema de conductos incluyendo las dimensiones en planta y alzado, la

situación del ventilador, la del equipo de limpieza del aire, etc, es conveniente identificar cada tramo de los conductos principal y secundarios con números y letras.

Un diseño previo o esquema de la campana a instalar en cada operación. Información sobre los detalles de cada operación, toxicidad de los materiales,

características físicas y químicas, características de las operaciones, etc.

Procedimiento de diseñoTodos los sistemas de extracción localizada, desde el más simple al más complejo tienen en común el uso de campanas de captación, un conjunto de conductos y accesorios hasta llegar al ventilador. Al diseñar un sistema de extracción se debe comenzar por la campana que esté más alejada del ventilador:

Seleccionar o diseñar todas las campanas de captación ajustándose a la operación a controlar y calcular el caudal de diseño.

Establecer la velocidad mínima en los conductos teniendo en cuenta las velocidades de transporte.

Calcular el área del conducto dividiendo el caudal de diseño por la velocidad mínima en el ducto.

Determinar a partir del esquema del trazado de la red de conductos, la longitud de cada tramo, el número y tipo de uniones y codos necesarios. Un tramo de conducto se define como un conducto de diámetro uniforme que une dos puntos de interés, tales como campanas, puntos de unión, entrada al ventilador, etc.

Método de diseño Calcular la pérdida de energía (carga) del sistema de extracción localizada. La pérdida

de energía debida a la fricción y a los accesorios, puede ser calculada por el método de la presión de velocidad o por el método de longitud equivalente.

Comprobar el equilibrio en los puntos de unión de dos conductos y ajustar el caudal, diámetro del conducto o diseño de la campana para conseguir un equilibrio correcto.

Seleccionar el depurador y ventilador tomando como datos el caudal final y la presión estática del ventilador.

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Método de la presión dinámica o presión de velocidadEste método se basa en el hecho de que todas las pérdidas de energía (carga), por rozamiento en conductos y accesorios son función de la presión dinámica o presión de velocidad y pueden ser calculadas multiplicando la presión de velocidad por un factor. Es una aproximación de diseño balanceado que trata de igualar todas las pérdidas de energía en fracciones de la presión de velocidad. El balanceo durante la fase de diseño significa ajuste de pérdidas de energía en los ramales que van a una unión en forma que las pérdidas predichas en cada brazo sean iguales.

En cualquier diseño de sistemas de ventilación el balanceo es un proceso de “ensayo-error” por etapas. El Ingeniero de diseño ensaya con diferentes diámetros de conductos, tipos de campanas, accesorios, entre otros, hasta que ambos brazos coincidan tanto como sea posible en la demanda de presión estática.

Las primeras etapas son: Seleccione el tipo de campana: cabina o exterior Determine el caudal necesario para captar los contaminantes generados en el proceso Diseñe el conducto o ducto Realice el levantamiento de las tuberías, ductos y accesorios Determine las presiones estáticas en cada una de las campanas Aplique un balance de energía entre la campana y la unión de tuberías, con el fin de

calcular la presión estática en la unión Balancee el sistema de ventilación en la unión Calcule la presión estática total y la presión estática del ventilador Seleccione el ventilador, motor y correas

Método de longitud equivalenteEste método trata de igualar todas las pérdidas en el sistema a longitudes equivalentes de pérdidas de energía en el conducto.

Balanceo de sistemas de ventilaciónEn un sistema de ventilación industrial en funcionamiento, para todos los tramos, que comienzan en distintas campanas y terminan en una misma unión, la presión estática siempre deberá ser la misma. O sea, en la práctica siempre se produce lo que se denomina “equilibrio o balance de la presión estática en cada unión”, que determina que el caudal total de aire succionado por el ventilador se distribuya de forma automática entre los diferentes tramos, de acuerdo a la resistencia que presenta cada uno de ellos. Debe asegurarse, en la etapa de diseño, que se llegue a cada una de las uniones con la misma presión estática, cualquiera que sea el camino, recorrido desde cada campana a esa unión. Si no son iguales, es decir que no se logra el equilibrio en la presión estática en la unión considerada, se modifican las variables de cálculo hasta lograr dicho equilibrio.

A partir de allí se sigue avanzando siguiendo el trazado de los conductos, unión a unión, hasta terminar en la descarga del sistema. Cada vez que se llega a una unión se debe verificar el cumplimiento del equilibrio en la presión estática, siguiendo el camino desde cada una de las campanas consideradas hasta la unión analizada (American Conference of Governmental Industrial Hygienist, 2007).

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En el diseño de un sistema de ventilación, como lo muestra la figura 3.1, los ramales 1-A y 2-A deberán estar balanceados, aumentando la velocidad de transporte en el ramal de menores pérdidas de energía, para que la presión estática demandada por ambos ramales sea igual en la unión A” El aumento en la velocidad de transporte (velocidad en el ducto) genera un aumento en la fricción, por tanto, en las pérdidas de energía, y esto se consigue aumentando el caudal de aire y manteniendo el diámetro de los conductos constante, o disminuyendo el diámetro de los conductos y manteniendo el caudal de aire constante, así:Ejemplo práctico, para la figura 5.1, después de realizar el Bernoulli de 1-A y 2-A, se obtuvieron los siguientes resultados:

Figura 3.1 Balanceo de sistemas de ventilación

Tramo 1 – A: PEA = -3 incda (presión estática mayor, en valor absoluto)Tramo 2 – A: PEA = -2 incda (presión estática menor)

Verificar si el sistema de ventilación está balanceado en la unión A.

Pasos a seguirSe calcula el porcentaje de error en la unión A”con la siguiente fórmula:

Como el porcentaje de error es superior al 5%, se concluye que el sistema de ventilación está desbalanceado.

¿Cómo balancearlo?, así: si el porcentaje de error es menor del 20%, se debe aumentar el caudal, del proceso que tenga la menor presión estática en la unión, con ayuda de la siguiente fórmula:

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Fuente: American Conference of Governmental Industrial Hygienist (2007). Industrial Ventilation a Manual of Recommended. Practice, 26 edition, ACGIH.

Si el porcentaje de error es mayor o igual al 20%, se debe disminuir el diámetro del proceso que tenga la menor presión estática en la unión; para nuestro caso, el tramo 2-A, con ayuda de la siguiente fórmula:

Fuente: American Conference of Governmental Industrial Hygienist (2007). Industrial Ventilation a Manual of Recommended. Practice, 26 edition, ACGIH.

Evaluación de la presión estática del ventiladorLos cálculos de un sistema de extracción localizada, se basan en la presión estática; es decir, todos los valores de presión en las campanas y en las uniones de conductos se expresan como la presión estática que se puede medir directamente con los procedimientos descritos en los temas anteriores.

La mayoría de las tablas de características de los ventiladores indican la presión estática del ventilador. Es preciso un cálculo adicional para determinar la presión estática del ventilador que sirva como dato para la selección del mismo.Presión Total del Ventilador (PTV): es el incremento de la presión total del aire, al pasar a través del ventilador y puede representarse por la ecuación:

PTV = PTSALIDA - PTENTRADA

Algunos fabricantes de ventiladores dan los valores característicos de sus equipos en términos de presión total del ventilador. Para seleccionar un ventilador, en estos casos, la presión total del ventilador se calcula como sigue:

PTV = PTSALIDA - PTENTRADA

PTV = (PESALIDA + PVSALIDA) - (PEENTRADA+ PVENTRADA)

Presión Estática del Ventilador: la Air Movement and Control Association define la presión estática de un ventilador (PEV) como la presión total del ventilador menos la presión de velocidad del ventilador. La presión de velocidad del ventilador se define como la presión de velocidad correspondiente a la velocidad del aire a la salida del ventilador. La presión estática del ventilador queda definida por la ecuación:

PEV = PTV - PVSALIDA o bien,

PEV = PTSALIDA - PTENTRADA - PVSALIDA

Puesto que PT = PE + PV, la ecuación puede escribirse así:

PEV = (PESALIDA - PVSALIDA) - (PEENTRADA - PVENTRADA) - PVSALIDA

Cambiando términos se llega a la expresión final:

PEV = PESALIDA - PEENTRADA - PVENTRADA

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Al seleccionar un ventilador, a partir de datos de catálogos, hay que examinar cómo está expresada la presión del ventilador; esto es, si es presión estática o total.

A continuación, se calcula el valor adecuado, prestando atención a los signos algebráicos; es decir, la presión de velocidad siempre es positiva (+), la PEENTRADA

generalmente es negativa (-) y la PESALIDA generalmente es positiva (+).

Ejercicio de aplicación1 Para el sistema mostrado en la figura 3.2, toda la tubería es de lámina galvanizada; los codos son de R/D = 2. Balancee el sistema en la unión A y B, y calcule la presión estática del ventilador, en incda.

Datos de las campanas:

Campana 1: Q =1200 ft3/min; VT = 3700 ft/min (velocidad de transporte mínima).

Campana 2: Q = 700 ft3/min; VT = 4000 ft/min (velocidad de transporte mínima);

Campana 3: D = 6 pulgadas; VT = 3000 ft/min (velocidad de transporte mínima);

Figura 3.2 Balanceo de un sistema de ventilación para tres procesos

1 Problema y figura, elaboración propia.

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Accesorios:a, b, c, f : codos de 90°d: codo de 60°g: codo de 45°e: unión de 30°h: unión de 45°

El filtro de talegas genera una pérdida de energía de 2,5 incda

Solución

Análisis en la unión A, cálculo del porcentaje de error

Conclusión: el sistema está desbalanceado; por ello, se debe rediseñar el proceso que tenga la menor presión estática en valor absoluto, en este caso, el proceso 1- A, y se debe disminuir el diámetro de dicho proceso, puesto que el porcentaje de error es mayor del 20%, así:

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Conclusión: el sistema está balanceado en la unión A.

Análisis del tramo A-B:

Análisis en la unión B, cálculo del porcentaje de error

Conclusión: el sistema está desbalanceado; así que se debe rediseñar el proceso que tenga la menor presión estática en valor absoluto, en este caso, el proceso 3-B; así mismo, se debe disminuir el diámetro de dicho proceso, puesto que el porcentaje de error es mayor del 20%, así:

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Conclusión: el sistema está desbalanceado; se debe rediseñar el proceso que tenga la menor presión estática en valor absoluto, en este caso, el proceso 3-B, y se debe aumentar el caudal de dicho proceso, puesto que el porcentaje de error es menor del 20%, así:

Tramo 3-B, corregido por caudal:

Conclusión: el sistema de ventilación está balanceado en la unión B.

Análisis del tramo B-C

Problemas propuestos2 Para los siguientes problemas, balancear el sistema de ventilación, por los métodos de presión de velocidad y longitud equivalente, calcular la presión total del ventilador y la presión estática del ventilador.

2 Problemas y figuras, elaboración propia.

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1. Todos los codos tienen radio de curvatura R = 2D, la tubería es de hierro galvanizado.

Sección 1 Sección 2 Sección 4

Q13 = 950 cfm D23 = 11 in Q45 = 1500 cfm

V13 = 2000 fpm V23 = 2500 fpm V45 = 3000 fpmHe = 0,96 PV He = 1,2 PV PEc = 1,75 PVL13 = 50 ft L23 = 45 ft L45 = 62 ft

L35 = 60 ft L56 = 10 ft L67 = 50 ft

2. Tanque A: decapado de aluminio con ácido nítrico. Las dimensiones del tanque son, largo 6 pies, ancho 1,5 pies y altura 3 pies. Tanque B: tratamiento de superficie: anodizado de Al con H2SO4. Las dimensiones del tanque son: largo 4 pies, ancho 2 pies y altura 3 pies. Tanque C: superficie a ser atacada Cobre. Hidróxido sódico, cianuro sódico; nieblas alcalinas y cianuradas. Las dimensiones del tanque son, largo 5 pies, ancho 2 pies y altura 3 pies. LA1 = 20 ft, L12 = 10 ft, LC2 = 5 ft, L23 = 10 ft, LB1 = 8 ft, L34 = 30 ft. Codos R = 2D, entradas de 30º. Material fibra de vidrio. VD = 2500 fpm para cada proceso.

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3. Tanque A: electrolitos cianurados. Tipo: Cadmio – Cu, sales de cianuro; las dimensiones del tanque son: largo 1,8 m, ancho 0,4 m y altura 1,5 m. Tanque B: electrolitos ácidos, tipo: Níquel. Las dimensiones del tanque son: largo 1,2 m, ancho 0,6 m y altura 1,5 m. Tanque C: decapado de aluminio, ácido nítrico. Las dimensiones del tanque son, largo 1,5 m, ancho 0,45m y altura 1,5 m. Tubería galvanizada, entradas de 45, VR = 10 m/s mínima, LA1 = 6 m, L12 = 3 m, VT = 10 m/s mínima, LB1 = 3 m, L23 = 3 m, Codos R = 2.5 D, LC2 = 4.5 m, L34 = 7 m.

4. Para el sistema mostrado en la figura, balancear el sistema de ventilación por el método de presión de velocidad. Calcule la presión estática del ventilador y seleccione el ventilador más apropiado. Trabaje el problema en el sistema inglés. Todos los codos tienen R/D = 2,5

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5. Para el sistema mostrado en la figura, el depurador tiene una caída de presión de 2 incda. En la campana (1) se realiza una operación de cromado, cuyo contaminante es ácido crómico; en la campana (2) se realiza un proceso de decapado de acero, cuyo contaminante es ácido sulfúrico.

6. Para el sistema mostrado en la figura, la tubería es de lámina galvanizada. Los codos son de R/D = 1,5. El depurador genera una pérdida de energía de 1.5 incda. Datos de las campanas: Campana (1): Q = 1400 ft3/min; VD = 4100 ft/min mínima), FD = 0,25 (factor de pérdida en el ducto). Campana (2): Q = 900 ft3/min; VD = 4500 ft/min (mínima); FD = 0,25. Campana (3): Q = 1900 ft3/min; VD = 5100 ft/min (mínima); FD = 0,25

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7. Para el sistema mostrado en la figura, toda la tubería es de lámina galvanizada. El proceso (1) es de electrólitos ácidos tipo cromo, las dimensiones del tanque son, largo 5 pies, altura 4 pies, ancho 2 pies, se requiere diseñar una campana exterior tipo A, como lo muestra la figura. El proceso (2) es un anodizado de aluminio, contaminantes ácido crómico y sulfúrico (desprendimiento de gases y vapores). Las dimensiones del tanque son, largo 6 pies, altura 4 pies, ancho 2 pies; se requiere diseñar una campana tipo cabina de altura 1,82 pies, con ranuras y ducto-cabina, (FD = 0,5), como lo muestra la figura. Todos los codos tienen R = 1,5 D. Se requiere el diseño completo de las campanas.

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8. En el sistema mostrado en la figura, las campanas diseñadas son de tipo simple sin pestaña. El proceso es para material particulado; el diámetro de las partículas es menor de 5 µm. Toda la tubería es plástica de PVC. Los codos son de R/D = 2,5.

Campana (1): Q =1200 ft3/min; VD = 4200 ft/min (velocidad de transporte mínima),

Campana (2): Q = 800 ft3/min; VD = 4000 ft/min (velocidad de transporte mínima);

.

Campana (3): D = 6 pulgadas; VD = 3800 ft/min (velocidad de transporte mínima);

Accesorios: a, b, c, f: codos de 90°d: codo de 60°; g: codo de 45°; e: unión de 30°; h: unión de 45°

9. Para el sistema mostrado en la figura, el proceso (1) requiere una campana exterior, tipo A, con ranura, pleno y sección piramidal. Las dimensiones del tanque son, largo 4 pies, ancho 3,2 pies y altura 3,5 pies; se realiza un proceso de decapado, de acero inoxidable, con ácidos nítrico y fluorhídrico, vapores nitrosos y ácido fluorhídrico. Se requiere una velocidad mínima en el ducto de 2000 ft/min. El proceso (2) requiere una campana tipo cabina, con ranuras, pleno y sección piramidal. Las dimensiones de la mesa de trabajo son, largo 4 pies, ancho 3,2 pies y altura 3,5 pies. La cabina tiene una longitud de 4 pies, una altura de 3 pies y una profundidad de 3,2 pies. Se realizan procesos de mezclado de

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solventes orgánicos que desprenden gases y vapores de toxicidad alta, donde la velocidad mínima en el ducto es de 2000 ft/min. Los codos son de R = 1,5 D; la unión es de 30º. La longitud de la tubería de 1 hasta A es de 20 pies y la longitud de la tubería de 2 hasta A es de 15 pies. Se sabe que la longitud desde A hasta B es de 40 pies y la longitud desde C hasta D es de 50 pies. El sistema no requiere equipo de limpieza de aire.

10. Para el sistema mostrado en la figura, balancear el sistema de ventilación por el método de longitud equivalente; calcular la presión total del ventilador y la presión estática del ventilador, en incda. Todos los codos tienen R/D = 2,0. Campanas para material particulado.

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11. Para el sistema mostrado en la figura, calcular la presión estática del ventilador en incda. Campana (1): cabina con ranuras y sección piramidal, α = 50°, la velocidad mínima en el ducto es de 2500 ft/min y el diámetro del ducto de 6 in. Campana (2): campana exterior tipo “A” con ranura y sección piramidal, α = 60°, la velocidad mínima en el ducto es de 2300 ft/min y el diámetro del ducto de 4 in. Campana (3): ranura con pestaña y sección piramidal, α = 70°, la velocidad mínima en el ducto es de 2000 ft/min y el diámetro del ducto de 7 in. El material de la tubería es de lámina galvanizada. El depurador genera una pérdida de 2 incda. Todos los codos son de R/D = 1,5

12. Para el sistema mostrado en la figura, calcular la presión estática del ventilador. Utilice el método de longitud equivalente para calcular las pérdidas de energía. La campana tipo cabina (lado derecho) tiene la siguiente información: caudal 1200 ft3/min; velocidad en el ducto 2000 ft/min (mínima), velocidad en la ranura 1000 ft/min, factor de pérdida en el ducto, FD = 0,25, longitud de 2-A es de 6 pies, codo de 60°, entrada de 30° y codos R = 1,5 D. La campana tipo exterior (lado izquierdo), tiene los siguientes datos, caudal de 2250 ft3/min, velocidad en el ducto de 2000 ft/min, velocidad en la ranura de 2000 ft/min, factor de pérdida en el ducto, FD = 0,25, longitud de 1-A es de 19 pies, codo de 90°de R = 1,5 D. El tramo recto AD tiene una longitud de 60 pies. Toda la tubería es de lámina galvanizada.