UNIVERSIDAD NACIONAL TECNOLÓGICA DEL CONO SUR DE...
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UNIVERSIDAD NACIONAL TECNOLÓGICA DEL CONO SUR DE LIMA Facultad de Ingeniería Mecánica, Electrónica y Ambiental. "DISEÑO DE UN SISTEMA DE EXTRACCIÓN DE POLVO PARA UNA CABINA DE GRANALLADO SEMIAUTOMÁTICA EN LA EMPRESA PROMETAL ROCA HERMANOS E.I.R.L.” TRABAJO DE INVESTIGACIÓN PARA OPTAR EL TÍTULO DE: INGENIERO MECÁNICO ELECTRICISTA. PRESENTADO POR EL BACHILLER CAJAHUAMÁN CÁRDENAS, MIGUEL LIMA – PERÚ 2014
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UNIVERSIDAD NACIONAL TECNOLÓGICA DEL CONO SUR DE LIMA
Facultad de Ingeniería Mecánica, Electrónica y Ambiental.
"DISEÑO DE UN SISTEMA DE EXTRACCIÓN DE POLVO PARA UNA
CABINA DE GRANALLADO SEMIAUTOMÁTICA EN LA EMPRESA
PROMETAL ROCA HERMANOS E.I.R.L.”
TRABAJO DE INVESTIGACIÓN PARA OPTAR EL TÍTULO DE:
INGENIERO MECÁNICO ELECTRICISTA.
PRESENTADO POR EL BACHILLER
CAJAHUAMÁN CÁRDENAS, MIGUEL
LIMA – PERÚ
2014
ii
DEDICATORIA
Dedico éste trabajo a mi Madre, que
siempre está conmigo, su apoyo, sus
palabras y su coraje siempre han sido
mi inspiración y motivación para seguir
adelante, a mi Padre que desde cielo
nos cuida y a cada uno de mis
hermanos que nunca dejaron de
alentarme.
iii
AGRADECIMIENTO
A la Universidad y cada uno de
mis profesores por su amistad,
por sus ganas de enseñar, por
transmitir conocimientos y
experiencias ganadas, a las
empresas en donde realicé mis
prácticas pre-profesionales, los
cuales hacen que hoy esté en
éste camino. A ellos mi
agradecimiento.
iv
ÍNDICE
Pág.
DEDICATORIA………………………………………………………………. ii
AGRADECIMIENTO………………………………………………………… iii
ÍNDICE………………………………………………………………………… iv
ÍNDICE DE TABLAS………………………………………………………… vii
ÍNDICE DE FIGURAS………………………………………………………. viii
ÍNDICE DE ANEXOS……………………………………………………….. ix
INTRODUCCIÓN……………………………………………………………. 01
CAPÌTULO I 02
1. PLANTEAMIENTO DEL PROBLEMA. 02
1.1. DESCRIPCIÓN DE LA REALIDAD PROBLEMÁTICA……… 03
1.2. JUSTIFICACIÓN DEL PROBLEMA…………………………... 03
1.3. DELIMITACIÓN DE LA INVESTIGACIÓN. ………………….. 04
1.3.1. ESPACIAL…………………………………………….. 04
1.3.2. TEMPORAL…………………………………………… 04
1.4. FORMULACIÓN DEL PROBLEMA…………………………... 04
1.5. OBJETIVOS…………………………………………………...... 04
CAPÍTULO II 05
2. MARCO TEÓRICO. 06
2.1. ANTECEDENTES………………………………………………. 06
2.2. BASES TEÓRICAS…………………………………………….. 07
2.2.1. EL PROCESO DE GRANALLADO………………… 07
v
Pág.
2.2.2. PRINCIPALES COMPONENTES DEL SISTEMA DE
GRANALLADO………………………………………. 08
2.2.2.1. CUARTO DE GRANALLADO……………… 08
2.2.2.2. TANQUE DE PROYECCIÓN……………… 09
2.2.2.3. ABRASIVO METÁLICO (GRANALLA)…… 10
2.2.2.4. SISTEMA DE RECUPERACIÓN Y LIMPIEZA
DE GRANALLA……………………………… 11
2.2.2.5. SISTEMA DE EXTRACCIÓN DE POLVO… 11
2.2.2.6. VENTILADOR INDUSTRIAL………………. 13
2.2.3. DISPOSITIVOS PARA EL CONTROL DE
PARTÍCULAS EN EL AIRE……………………….…. 15
2.2.3.1 SEPARADOR DE INERCIA – CICLÓN….… 15
2.2.3.2 PRECIPITADORES ELECTROSTÁTICOS.. 16
2.2.3.3 FILTROS DE MANGAS…………………….. 17
2.2.3.4 LAVADORES VENTURI……………………. 18
2.2.3.5 CÁMARAS DE SEDIMENTACIÓN………… 19
2.2.4 VENTAJAS Y DESVENTAJAS ENTRE DISPOSITIVOS
COLECTORES…………………………………………. 20
2.3 MARCO CONCEPTUAL………………………………………… 23
vi
Pág. CAPÍTULO III………………………………………………………………… 31
3. DESARROLLO DE LA METODOLOGÍA. 32
3.1 SELECCIÓN DEL DISPOSITIVO PARA EL CONTROL DEL
POLVO…………………………………………………………….. 32
3.2 DESCRIPCIÓN DEL PROYECTO…………………………..... 32
3.3 DISEÑO Y DIMENSIONAMIENTO DEL SISTEMA DE
EXTRACCIÓN DE POLVO……………………………………… 33
3.3.1 DISEÑO DE CAMPANA CAPTADORA…………….. 33
3.3.2 DISEÑO DEL SISTEMA DE DUCTOS……………… 36
3.3.3 DISEÑO DEL CICLÓN……………………………….. 38
3.3.4 DISEÑO DEL COLECTOR DE POLVO…………..… 40
3.3.5 SELECCIÓN DEL VENTILADOR CENTRÍFUGO…. 41
3.3.5.1 CÁLCULO DE PÉRDIDAS DE CARGA DE
LAS CAMPANAS. ………………………….. 43
3.3.5.2 CÁLCULOS DE PÉRDIDAS DE CARGAS
EN DUCTOS RECTOS Y CODOS………… 45
3.3.5.3 CÁLCULO DE PÉRDIDAS DE CARGAS EN
UNIONES LATERALES (YEE)……..……. 47
3.3.5.4 CÁLCULO DE PÉRDIDAS DE CARGAS EN
EL CICLÓN…………………………………… 48
vii
Pág.
3.3.5.5 CÁLCULO DE PÉRDIDAS DE CARGAS
EN EL COLECTOR DE POLVO…………… 50
3.3.5.6 CARACTERÍSTICAS TÉCNICAS
DELVENTILADOR INDUSTRIAL SELECCIONADO
…………………………………………………. 53
3.4 CRONOGRAMA DE TRABAJO DEL SISTEMA DE
EXTRACCIÓN DE POLVO……………………………………. 54
3.5 METRADO Y ANÁLISIS DE COSTO DEL SISTEMA DE
EXTRACCIÓN DE POLVO……………………………………. 56
CONCLUSIONES Y RECOMENDACIONES. 61
BIBLIOGRAFÍA. 62
ANEXOS. 63
ÍNDICE DE TABLAS.
Pág.
Tabla 3.01: Datos iniciales del sistema de extracción por tramos………... 38
Tabla 3.02: Parámetro del sistema colector de polvo………….................. 41
Tabla 3.03: Resumen final de pérdidas de cargas del sistema de
extracción de polvo………………………………………… 52
Tabla 3.04: Metrado (Sistema de ductos)……………………….…… …….. 56
viii
Pág.
Tabla 3.05: Metrado (Ciclón)………………………………………...... …….. 57
Tabla 3.06: Metrado (Colector de Polvo)…………..………………………... 58
Tabla 3.07: Metrado (Ventilador Centrífugo)…………………....…… …….. 59
Tabla 3.08: Resumen de metrado del sistema……….……....…………….. 60
ÍNDICE DE FIGURAS.
Pág.
Figura 2.01: Cuarto de Granallado………………………………………… 09
Figura 2.02: Tanques de Granallado…………………………………….. 09
Figura 2.03: Granalla esférica de Acero al Carbono…………….….…… 10
Figura 2.04: Sistema recolector de Granalla……………………………… 11
Figura 2.05: Sistema de Extracción de Polvo……………………………. 12
Figura 2.06: Ventilador Centrífugo………………………………………… 14
Figura 2.07: Disposición de Álabes en Rodetes…………………………. 14
Figura 2.08: Separador Ciclónico de Involuta……………………………. 15
Figura 2.09: Precipitador Electrostático……………………………………. 17
Figura 2.10.Cámara de filtros de bolsas…………………………………… 18
Figura 2.11: Lavador Venturi……………………………..…………………. 19
Figura 2.12: Cámara Cilíndrica de sedimentación………………………… 19
Figura 3.01: Dimensión general del cuarto de granallado……………….. 33
ix
Pág.
Figura 3.02: Diagrama de flujo del sistema………………………………… 36
Figura 3.03: Detalle del Sistema Colector de Polvo modelado en
Solidworks.………………………………………………….. 42
Figura 3.04: Cronograma de fabricación del sistema de extracción de polvo.
……………………………………………………………………….…………. 55
ÍNDICE DE ANEXOS.
Pág.
Anexo 01 (Intervalo de eficiencia de remoción para las diferentes
familias de ciclones)………………………………………….. 64
Anexo 02 (Tamaños típicos de emisiones atmosféricas de partículas). 64
Anexo 03 (Recomendaciones de dispositivos según la Industria y
Operación)………………………………………………………. 65
Anexo 04 (Captación de los contaminantes induciendo una velocidad
de aire suficiente)……………………………………………..…. 65
Anexo 05 (Tipos de Campanas Captadoras)…………………………….. 66
Anexo 06 (Velocidades que influyen en funcionamiento)……………… 66
Anexo 07 (Captación de Aire contaminado en Campana Extractoras)… 67
Anexo 08 (Valores recomendados para la velocidad de transporte)..….. 68
Anexo 09 (Características de los Ciclones convencionales)…….……… 68
Anexo 10 (Dimensiones del Ciclón)……………………………………….. 69
Anexo 11 (Características técnicas, largo de mangas 2400mm <> 96in
de longitud)………………………………………………………………..…. 69
Anexo 12 (Esquema dimensional y funcional)…………………………… 70
Anexo 13 (Presión dinámica en función de su velocidad)……………… 71
Anexo 14 (Coeficiente “n” de pérdida de cargas en Campanas de
Captación)……………………………………………………….. 71
x
Pág.
Anexo 15 (Pérdida de conductos por rozamiento del aire en conductos
circulares rectilíneos)…………………………………………… 72
Anexo 16 (Coeficiente “n” de Pérdidas de cargas en codos)…………… 73
Anexo 17(Coeficientes “n” de pérdidas en uniones)…………………..... 74
Anexo 18 (Diámetro equivalente de un conducto rectangular con igual
pérdida de carga)……………………………………………….. 75
Anexo 19 (Coeficientes “n” de pérdidas en Cambios graduales de
sección)…………………………………………………………… 76
Anexo 20 (Factores para las relaciones de aire-tela en filtros Jet Pulse).. 77
Anexo 21(Catálogo CM Ventiladores Centrífugos Soler &Palau)………. 78
Anexo 22 (Rotor o Rodete)…………………………………………………. 78
Pág.
Anexo 23 (Curva Característica del Ventilador Centrífugo CM 500
(Soler &Palau))…………………………………………………… 79
Anexo 24 (Dimensiones Generales del Ventilador seleccionado –
Soler & Palau)…………………………………………………… 80
1
INTRODUCCIÓN
El presente proyecto tiene como finalidad diseñar un sistema de extracción de
polvo como componente importante de un sistema que involucra procesos para
la preparación y limpieza superficial por impacto, como lo es el granallado. El
granallado utiliza la proyección de partículas abrasivas (granalla) a gran
velocidad sobre la superficie de la pieza a tratar, eliminando impurezas y
contaminantes superficiales con el fin de darle más resistencia y prolongar su
vida útil. Dicho proceso contamina el ambiente de trabajo; porque desprende
impurezas sólidas al aire y es donde entra a tallar el sistema a diseñar.
Hablar del Sistema de Granallado implica agrupar una serie de subsistemas, el
cual se realizará una descripción general de cada una de ella, para facilitar la
comprensión y el rol que desempeñan, enfatizando el grado de protagonismo e
importancia que tiene el sistema de extracción de polvo, que es el objeto de
estudio del presente proyecto cuya estructura se compone de 3 capítulos. El
primero comprende el planeamiento del problema, en donde se describirá,
analizará, justificará la problemática dándole la solución adecuada, el segundo
capítulo comprende el desarrollo del marco teórico, de donde nos basaremos
de antecedentes, teorías, definiciones, normas ambientales y el vocabulario a
utilizar en todo el proyecto, y el tercer y último capítulo corresponde al
desarrollo del proyecto, en donde se sustentará por medio de cálculos
matemáticos el dimensionado, diseño y selección de cada componentes a
utilizar, el cual involucra hacer uso de manuales de ventilación industrial, libros
y catálogos de fabricantes, sin dejar de lado a las normas ambientales vigentes
que rigen y especifican las operaciones del sistema, adicionalmente se
modelará el sistema diseñado en 3d en el programa de Ingeniería (SolidWorks
2013) con el objetivo de elaborar los planos para la fabricación de los
componentes, finalizando con las conclusiones, las recomendaciones del caso
y las fuentes utilizadas como son las bibliografías e imágenes (anexos).
El autor
2
CAPÍTULO I
3
CAPÌTULO I
1. PLANTEAMIENTO DEL PROBLEMA
1.1.- DESCRIPCIÓN DE LA REALIDAD PROBLEMÁTICA.
La Empresa Prometal Roca Hermanos E.I.R.L. ubicada en la Cooperativa Las
Vertientes Calle 5 Mz. E Lt. 4B Villa el Salvador, es una empresa especializada
en construcciones metálicas que utiliza técnicas y tecnologías que demanda las
normas de construcción y entre sus principales servicios esta la preparación de
superficies en cabinas de arenado y granallado. Debido a la demanda de ésta
última actividad, se tiene la necesidad de implementar una nueva cabina de
granallado para lo cual ya cuentan con algunos componentes que comprenden
el 70% sistema de granallado, los mismos que ya se encuentran instalado y
ensamblado en el área proyectada para dicho sistema sin uso alguno, el 30%
restante corresponde al problema de contaminación que éste proceso provoca
en el ambiente de trabajo y sin solución, la empresa no puede contar con la
puesta en marcha del sistema, ya que estaría expuesta a sanciones de
acuerdo a ley.
1.2. JUSTIFICACIÓN DEL PROBLEMA.
Al no contar con un sistema de extracción de polvo, el sistema de granallado
no puede iniciar con su operación, debido a la seguridad del operario y del
ambiente, su pronta solución sería vital en la línea de producción de la
empresa, aumentando la producción diaria, aliviando las cargas de trabajo y
disminuyendo los tiempos de entrega.
4
1.3. DELIMITACIÓN DE LA INVESTIGACIÓN.
1.3.1. ESPACIAL.
El proyecto se realizará en la cabina número 02 de granallado de la empresa
PROMETAL ROCA HERMANOS E.I.R.L.”
1.3.2. TEMPORAL.
El periodo que comprende desde el estudio y toma de información en campo,
hasta la realización del proyecto en teoría, es de setiembre del 2013 a febrero
del 2014, quedando dispuesto para su construcción e instalación en un plazo
de 24 días útiles, con 02 operarios trabajando a tiempo completo, en cada
entregable de forma paralela de acuerdo a cada hito en diagrama Gantt. (Ver
figura 3.04).
1.4. FORMULACIÓN DEL PROBLEMA.
La presencia de partículas contaminantes en la cabina de granallado limita el
rendimiento y atenta con la salud del operario; así como la limpieza de las
piezas metálicas después de ser tratado, por lo cual un sistema de extracción
de polvo es indispensable para el control de la emisión de partículas sólidas
que se deprende del proceso, garantizando el buen desempeño y la puesta en
marcha del sistema.
1.5. OBJETIVOS.
General. Diseñar un sistema de extracción de polvo como componente
fundamental de un sistema de granallado en la empresa PROMETAL, para la
puesta en marcha y el buen desempeño de los operarios.
Específico.
A. Reducir el nivel de contaminación de las piezas tratadas, por
sedimentación de partículas sólidas en la superficie.
B. Demostrar que más del 50% del sistema de extracción de polvo, puede
ser fabricado por la misma empresa beneficiada.
5
CAPÍTULO II
6
CAPÍTULO II
2. MARCO TEÓRICO
2.1. ANTECEDENTES.
La Empresa PROMETAL ROCA HERMANOS E.I.R.L. inicia sus actividades en
el mes de noviembre del 2009, entre sus servicios que destaca está el de
preparación de superficies metálicas por inyección por chorro, el cuál se inició
con sistemas de arenado y viendo la demanda del mercado decide adquirir un
nuevo sistema que cumpla con el mismo servicio, y a través de una evaluación
de costo-beneficio en el proceso y la calidad se opta por la adquisición de un
sistema de granallado. Con la experiencia obtenida en el uso del granallado y
los buenos resultados deciden comprar componentes para un segundo sistema
en remates públicos, faltando el sistema de evacuación y colector de polvo
para iniciar con su operación, que es el objetivo de estudio del presente
proyecto. Para su desarrollo se ha tomado como referencia TESIS de grados
existentes, los cual se hace mención a los siguientes antecedentes:
Año 2012 – Escuela Superior Politécnica de Chimborazo (Ecuador), Lorena
Chimbo P. – Leandro Ortiz C. desarrollan su investigación “DISEÑO DE UN
SISTEMA DE EXTRACCIÓN LOCALIZADA DE GASES Y POLVOS DEL
PRODESO DE RECONSTRUCCIÓN MECÁNICA DE TURBINAS
HIDRÁULICAS Y SU MANEJO PARA EL CONTROL DE IMPACTO
AMBIENTAL”, para la obtención del título de Ingeniero Mecánico.
7
Año 2011 – Pontificia Universidad Católica del Perú (Perú), Ronald Mas B.
desarrolló su investigación “DISEÑO DE SISTEMA DE EXTRACCIÓN DE
EMISIONES DE GASES DE COMBUSTIÓN DE BIOMASA BAJO
CONDICIONES CONTROLADAS”, para la obtención del título de Ingeniero
Mecánico.
Año 2011 – Universidad Politécnica Salesiana (Ecuador), Juan Pablo Nivelo C.-
Juan Ugalde P. desarrollaron su investigación “DISEÑO DE UN SISTEMA DE
EXTRACCIÓN DE POLVO PARA LA EMPRESA INSOMET”, para la obtención
del título de Ingeniero Mecánico.
Año 2010 - Universidad del Oriente (Venezuela), Jhonatan Nightingale N.
desarrolló su investigación “DISEÑO DE UN SISTEMA DE ASPIRACIÓN
PORTÁTIL DE UREA PARA LAS ÁREAS DE PRODUCCIÓN, TRANSPORTE
Y ALMACENAJE EN EL SECTOR DE GRANULACIÓN DE LA PLANTA
FERTINITRO C.E.C.”, para la obtención del título de Ingeniero Mecánico.
2.2. BASES TEÓRICAS.
2.2.1. EL PROCESO DE GRANALLADO
El proceso de granallado de superficies a través de la utilización de materiales
abrasivos tuvo su inicio hace más de 100 años, cuando, en 1870, Tilghman
descubrió y patentó el principio de limpieza con chorro de arena.
Inicialmente, el granallado con arena se hacía a cielo abierto, o en ambientes
confinados sin sistemas de ventilación apropiados. De esta forma, no tardaron
en aparecer los primeros problemas de silicosis para los operadores. Desde
entonces, fueron introducidas muchas alteraciones en la técnica de limpieza,
desarrollándose nuevos tipos de equipos y de abrasivos.
Los abrasivos metálicos fueron utilizados por primera vez en 1885, en
Inglaterra, pero su aceptación industrial ocurrió solamente alrededor de 1920,
cuando comenzaron a aparecer evidencias de las ventajas económicas y
técnicas como: menor desgaste de los equipos, mejor acabado superficial,
8
mayor productividad, menor costo por tonelada acabada, menor volumen de
material abrasivo manipulado, y, principalmente, por evitar la silicosis.
Los primeros abrasivos metálicos a ser ampliamente utilizados eran producidos
en hierro fundido coquillado, que, a pesar de ser muy superiores a las arenas,
se rompían rápidamente, provocando desgaste relativamente rápido del
equipo. Posteriormente fueron desarrolladas las granallas de hierro fundido
maleable y de acero y los alarmes de acero cortados, todos con propiedades
muy superiores a las de hierro fundido coquillado. Las granallas de acero se
emplean actualmente en un sinnúmero de aplicaciones, tales como:
- limpieza de piezas después de la fundición;
- decapado mecánico de metales;
- retirada de rebabas de piezas metálicas, plásticos y gomas;
- empañado de superficies plásticas, vidrios, metales, cerámicas;
- "shotpeening" de metales;
2.2.2. PRINCIPALES COMPONENTES DEL SISTEMA DE GRANALLADO.
2.2.2.1. CUARTO DE GRANALLADO.
Los cuartos de granallado, se utilizan donde el tratamiento de superficies en
piezas de grandes dimensiones, constituye uno de los procesos de fabricación,
reemplazando a las insalubres y precarias instalaciones de arenado, haciendo
a la operación apta para compartir espacios y tiempos productivos con
cualquier otro tipo de proceso industrial. Esto asegura, no solo el disponer de la
operación de granallado dentro de la planta fabril, sino de poder integrarlo a
una línea de producción.
Los cuartos de granallado pueden ser de dos tipos, modulares o de material
(mampostería).
Modulares: construidos en chapa, de estructura modular, siendo así paneles
unidos entre si, de fácil y rápido armado e instalación. Pueden estar revestidos
en material antiabrasivo, aumentando significativamente sus niveles de
9
protección.
De mampostería: construidos en material de forma tradicional, son pequeños
recintos cerrados que serán destinados para el granallado.
Figura 2.01: Cuarto de Granallado.
2.2.2.2. TANQUE DE PROYECCIÓN.
Máquinas de aire presurizado, que es el encargado de contener los proyectiles
(granalla), que por medio de chorros de aire a presión proveniente de la
boquilla aspersor impacta sobre la pieza de trabajo.
Figura 2.02: Tanques de Granallado.
10
2.2.2.3. ABRASIVO METÁLICO (GRANALLA).
Los principales tipos de abrasivos metálicos utilizados para la limpieza o el
acabado de piezas ferrosas son, normalmente, producidas en hierro fundido o
en acero, pudiendo presentarse en las formas angular o esférica. Las granallas
son clasificadas por sus formas y tamaños, de acuerdo con normas
específicas, tales como, SAE J444 y SFSA 20-66. Al mismo tiempo, existen
normas complementarias, tales como, SAE J445 que especifica los ensayos
mecánicos en las granallas metálicas, y SAE J827 que establece límites para
los desvíos de forma, composición química, microestructura, dureza y
contaminantes no magnéticos. Entre los que tenemos:
Granalla de hierro fundido blanco.
Granallas de hierro fundido maleable.
Alarmes de acero cortados.
Granallas de acero fundidas.
Figura 2.03: Granalla esférica de Acero al Carbono.
11
2.2.2.4. SISTEMA DE RECUPERACIÓN Y LIMPIEZA DE GRANALLA.
Existen distintos tipos para la recolección y recuperación de granalla, los cuales
podemos dividir en 3 tipos:
Automáticas: es un sistema de recolección totalmente automática, no requiere
la mano del hombre, la recolección puede hacerse por medio de tornillos
sinfines, cintas o sistemas de barridos por carros.
Semiautomática: éste sistema combina el uso de elementos mecánicos y la
mano del hombre.
Manual: la recolección se hace en forma manual, llevando la granalla hacia el
limpiador después de ser arrojada.
Figura 2.04: Sistema recolector de Granalla.
2.2.2.5. SISTEMA DE EXTRACCIÓN DE POLVO.
Un colector de polvo es un sistema que mejora la calidad del aire liberado por
procesos industriales o comerciales mediante la recolección de polvo y otras
impurezas de un gas o aire. Fue diseñado para separar grandes volúmenes de
gas, y consiste en un escape de gas, un filtro de polvo, un limpiador del filtro, y
un receptáculo o un sistema removedor del polvo. Se diferencia de los
limpiadores de aire, que utilizan un filtro para remover el polvo.
12
Los colectores de polvo son utilizados para captar el polvo que se genera en
diferentes procesos de la industria, se emplean para recuperar el producto y
enviarlo nuevamente al proceso o para controlar las áreas con polvos fugitivos
donde la salud, higiene, limpieza y el medio ambiente pueden verse afectados.
En ambos casos, la selección correcta del colector de polvo representa ahorro
de energía.
Estos equipos se emplean principalmente para manejo de materiales sólidos
pulverulentos, por ejemplo en la industria química, minera, laboratorios y en
todo lugar donde al manejar graneles o procesos que emitan polvos. Su
operación es automática, muy sencilla, con consumos de energía moderados y
no requiere supervisión para su operación, así como tampoco mantenimientos
especializados, cumpliendo con las normas oficiales de calidad del aire, con
una eficiencia del 99% y más, en la filtración de polvos y partículas que se
capturan.
Un buen colector de polvo requiere un sistema completo que capture, colecte y
descargue eficientemente las emisiones de distintos tipos de procesos
industriales.
Figura 2.05: Sistema de Extracción de Polvo.
13
2.2.2.6. VENTILADOR INDUSTRIAL
Un ventilador es una máquina de fluido concebida para producir una corriente
de aire mediante un rodete con aspas que giran produciendo una diferencia de
presiones. Entre sus aplicaciones, destacan las de hacer circular y renovar el
aire en un lugar cerrado para proporcionar oxígeno suficiente a los ocupantes y
eliminar olores, principalmente en lugares cerrados; así como la de disminuir la
resistencia de transmisión de calor por convección. Fue inventado en 1882 por
el estadounidense Schuyler S. Wheeler.
Se utiliza para desplazar aire o gas de un lugar a otro, dentro de o entre
espacios, para motivos industriales o uso residencial, para ventilación o para
aumentar la circulación de aire en un espacio habitado, básicamente para
refrescar. Por esta razón, es un elemento indispensable en climas cálidos.
Un ventilador también es la turbomáquina que absorbe energía mecánica y la
transfiere a un gas, proporcionándole un incremento de presión no mayor de
1.000 mmH2O aproximadamente, por lo que da lugar a una variación muy
pequeña del volumen específico y suele ser considerada una máquina
hidráulica.
En energía, los ventiladores se usan principalmente para producir flujo de
gases de un punto a otro; es posible que la conducción del propio gas sea lo
esencial, pero también en muchos casos, el gas actúa sólo como medio de
transporte de calor, humedad, etc. o de material sólido, como cenizas, polvos,
etc.
VENTILADOR CENTRÍFUGO.
En los ventiladores centrífugos la trayectoria del fluido sigue la dirección del eje
del rodete a la entrada y perpendicular al mismo a la salida. Si el aire a la salida
se recoge perimetralmente en una voluta, entonces se dice que el ventilador es
de voluta.
14
Figura 2.06: Ventilador Centrífugo.
Estos ventiladores tienen tres tipos básicos de rodetes:
1. Álabes curvados hacia adelante,
2. Álabes rectos,
3. Álabes inclinados hacia atrás / curvados hacia atrás.
En la figura puede observarse la disposición de los álabes.
Figura 2.07: Disposición de Álabes en Rodetes.
15
2.2.3. DISPOSITIVOS PARA EL CONTROL DE PARTÍCULAS EN EL AIRE.
Los dispositivos de control más usados para controlar la emisión de partículas
son los siguientes:
2.2.3.1 SEPARADOR DE INERCIA: CICLÓN
Los ciclones usan el principio de la fuerza centrífuga para remover el material
particulado. En un ciclón, el flujo contaminante es forzado a un movimiento
circular. Este movimiento ejerce fuerza centrífuga sobre las partículas y las
dirige a las paredes exteriores del ciclón. Las paredes del ciclón se angostan
en la parte inferior de la unidad, lo que permite que las partículas sean
recolectadas en una tolva. El aire limpio sale del ciclón por la parte superior de
la cámara, pasando por un espiral de flujo ascendente o vórtice formado por
una espiral que se mueve hacia abajo. Los ciclones son eficientes para
remover partículas grandes pero no son tan eficientes para partículas
pequeñas. Por esta razón, a menudo se usan con otros dispositivos de control.
Figura 2.08: Separador Ciclónico de Involuta.
16
Los márgenes de la eficiencia de remoción para los ciclones, están con
frecuencia basados en las tres familias. (Anexo 01) presenta el intervalo de
eficiencia de remoción para las diferentes familias de ciclones.
Ciclones de alta eficiencia: Los ciclones de alta eficiencia están diseñados
para alcanzar mayor remoción de las partículas pequeñas que los ciclones
convencionales, pueden remover partículas de 5µm con eficiencias hasta del
90%, pudiendo alcanzar mayores eficiencias con partículas más grandes.
Tienen mayores caídas de presión, lo cual requiere de mayores costos de
energía para mover el gas sucio a través del ciclón. Por lo general, el diseño
del ciclón está determinado por una limitación especificada de caída de
presión, en lugar de cumplir con alguna eficiencia de control especificada.
Ciclones de alta capacidad: Los ciclones de alta capacidad están
garantizados solamente para remover partículas mayores de 20µm, aunque en
cierto grado ocurra la colección de partículas más pequeñas.
2.2.3.2 PRECIPITADORES ELECTROSTÁTICOS.
Los precipitadores electrostáticos (PES) capturan las partículas sólidas en un
flujo de gas por medio de la electricidad. El PES carga de electricidad a las
partículas atrayéndolas a placas metálicas con cargas opuestas ubicadas en el
precipitador. Las partículas se retiran de las placas mediante "golpes secos" y
se recolectan en una tolva ubicada en la parte inferior de la unidad.
17
Figura 2.09: Precipitador electrostático.
La eficiencia de remoción de los PES es muy variable. Solo para partículas
muy pequeñas, la eficiencia de remoción es de aproximadamente 99 por
ciento.
2.2.3.3 FILTROS DE MANGAS.
El filtro de mangas o cámara de filtros de bolsa trabaja bajo el mismo principio
que una aspiradora de uso doméstico. El flujo de gas pasa por el material del
filtro que retira las partículas. El filtro de tela es eficiente para retener partículas
finas y puede sobrepasar 99 por ciento de remoción en la mayoría de las
aplicaciones. Una desventaja del filtro de tela es que los gases a altas
temperaturas a menudo tienen que ser enfriados antes de entrar en contacto
con el medio filtrante.
18
Figura 2.10.Cámara de filtros de bolsas.
2.2.3.4 LAVADORES VENTURI.
Los lavadores Venturi usan un flujo líquido para remover partículas sólidas. En
el lavador Venturi, el gas cargado con material particulado pasa por un tubo
corto con extremos anchos y una sección estrecha. Esta constricción hace que
el flujo de gas se acelere cuando aumenta la presión. El flujo de gas recibe un
rocío de agua antes o durante la constricción en el tubo. La diferencia de
velocidad y presión que resulta de la constricción hace que las partículas y el
agua se mezclen y combinen. La reducción de la velocidad en la sección
expandida del cuello permite que las gotas de agua con partículas caigan del
flujo de gas. Los lavadores Venturi pueden alcanzar 99 por ciento de eficiencia
en la remoción de partículas pequeñas. Sin embargo, una desventaja de este
dispositivo es la producción de aguas residuales.
19
Figura 2.11: Lavador Venturi.
2.2.3.5 CÁMARAS DE SEDIMENTACIÓN
Las cámaras de sedimentación emplean la fuerza de gravedad para remover
partículas sólidas. El flujo de gas ingresa a una cámara donde disminuye la
velocidad del gas. Las partículas más grandes caen del flujo de gas en una
tolva. Debido a que las cámaras de sedimentación son efectivas sólo para la
remoción de partículas más grandes, usualmente se usan junto con un
dispositivo más eficiente de control.
Figura 2.12: Cámara Cilíndrica de sedimentación.
20
2.2.4 VENTAJAS Y DESVENTAJAS ENTRE DISPOSITIVOS COLECTORES.
CICLÓN INDUSTRIAL.
Ventajas:
o Baja inversión inicial.
o Bajísimos costos de operación.
o De fácil construcción. Instalación rápida y económica.
o De fácil mantenimiento (no contienen piezas movibles).
o Pueden alcanzar hasta 99% de eficiencia, dependiendo del tamaño de
las partículas.
o Operan con gases en temperaturas elevadas.
o Pueden ser construidos con materiales resistentes a la abrasión y
corrosión.
o Su eficiencia es constante a lo largo de su vida útil.
o Separan una gran variedad de materiales.
o Pérdida de carga siempre constante.
o Facilidad de remoción del material recolectado.
o Proyectado para el mejor desempeño de acuerdo con el perfil
granulométrico de las partículas.
Desventajas:
o Baja eficiencia de colección con partículas muy finas (menores a 5µm).
o Elevada caída de presión (hasta 2.5 kPa - 250 milímetros de columna de
H2O) para alcanzar altas eficiencias de colección alrededor del 95%.
21
PRECIPITADORES ELECTROSTÁTICO.
Ventajas:
o Bajo requerimiento de personal para su manejo.
o Eficiencia de recolección muy alta, para partículas gruesas y finas,
logradas con un gasto relativamente bajo de energía.
o Recolección en seco.
o Baja caída de presión (<0.5 in de agua)
o Diseños para operación continúa con requerimientos mínimos de
mantenimiento.
o Costo de operación relativamente bajo.
o Capacidad para operar a altas presiones o al vacío.
o Capacidad para operar a altas temperaturas.
o Capacidad para manejar en forma eficiente velocidades de flujo de gas
relativamente altas.
Desventajas:
o Alto consumo de energía eléctrica.
o Alto costo de capital.
o Muy sensible a cambios en las condiciones de la corriente gaseosa,
especialmente el flujo, la temperatura, la composición del gas y las
partículas (con su respectiva carga)
o Ciertas partículas son difíciles de recolectar debido a características de
resistividad relativamente altas o bajas.
o Se requieren espacios grandes para su instalación.
o Riesgo de explosión al recolectar partículas o tratar gases combustibles.
o Se requieren medidas especiales de seguridad para proteger al personal
de una descarga.
o Durante la ionización del gas, se produce ozono, por la descarga del
electrodo cargado negativamente.
o Se requiere personal de mantenimiento altamente capacitado.
22
FILTROS DE MANGAS (TELA O PAPEL)
Ventajas.
o Bajos costos de inversión.
o Eficiencia de recolección muy alta de partículas gruesas y finas.
o La eficiencia y caída de presión casi no ven afectadas por cambios
grandes en la carga de entrada de polvo, para filtros que se limpian
continuamente.
o En muchos casos, el aire de salida del filtro se puede recircular a la
planta.
o El material recolectado se recupera seco, para su posterior
procesamiento.
o Por lo general, la corrosión y oxidación de las partes no es problema.
o Se dispone de filtros en muchas configuraciones, por lo que hay gran
variedad de dimensiones para adecuarse a los requerimientos de la
instalación.
o Operación relativamente sencilla.
Desventajas.
o Las temperaturas que exceden los 288ºC requieren material refractario
especial o telas metálicas costosas.
o Ciertos tipos de polvo requieren posiblemente telas tratadas.
o Las concentraciones de algunos polvos en el colector constituyen un
riesgo de incendio o explosión si penetran chispas o llamas por
accidente; existe la posibilidad de quemar las telas sis e recolectan
polvos fácilmente oxidables.
o Requerimientos de mantenimiento relativamente altos (reemplazo de las
mangas, etc.)
o A temperaturas elevadas se puede acortar la vida de la tela, así como en
presencia de partículas ácidas o alcalinas y componentes gaseosos.
o La condensación de humedad y componentes alquitranados adhesivos
pueden causar taponamiento o agotamiento de la tela, o requerir aditivos
especiales.
23
o El reemplazo de las telas requiere de protección respiratoria para el
trabajador.
2.3 MARCO CONCEPTUAL
CAUDAL
En dinámica de fluidos, caudal es la cantidad de fluido que pasa en una unidad
de tiempo. Normalmente se identifica con el flujo volumétrico o volumen que
pasa por un área dada en la unidad de tiempo. Menos frecuentemente, se
identifica con el flujo másico o masa que pasa por un área dada en la unidad de
tiempo.
Donde:
Caudal ([L3T−1]; m3/s)
Es el área ([L2]; m2)
Es la velocidad lineal promedio. ([LT−1]; m/s)
FLUIDO.
Se denomina fluido a un tipo de medio continuo formado por alguna sustancia
entre cuyas moléculas sólo hay una fuerza de atracción débil. La propiedad
definitoria es que los fluidos pueden cambiar de forma sin que aparezcan en su
seno fuerzas restitutivas tendentes a recuperar la forma "original" (lo cual
constituye la principal diferencia con un sólido deformable, donde sí hay
fuerzas restitutivas).
Un fluido es un conjunto de partículas que se mantienen unidas entre si por
fuerzas cohesivas débiles y las paredes de un recipiente; el término engloba a
los líquidos y los gases. En el cambio de forma de un fluido la posición que
toman sus moléculas varía, ante una fuerza aplicada sobre ellos, pues
justamente fluyen. Los líquidos toman la forma del recipiente que los aloja,
manteniendo su propio volumen, mientras que los gases carecen tanto de
24
volumen como de forma propias. Las moléculas no cohesionadas se deslizan
en los líquidos, y se mueven con libertad en los gases. Los fluidos están
conformados por los líquidos y los gases, siendo los segundos mucho menos
viscosos (casi fluidos ideales).
FRICCIÓN.
Se define como fuerza de rozamiento o fuerza de fricción, a la fuerza entre dos
superficies en contacto, a aquella que se opone al movimiento entre ambas
superficies (fuerza de fricción dinámica) o a la fuerza que se opone al inicio del
deslizamiento (fuerza de fricción estática). Se genera debido a las
imperfecciones, mayormente microscópicas, entre las superficies en contacto.
PÉRDIDA DE CARGA.
La pérdida de carga en una tubería o canal, es la pérdida de presión en
un fluido debido a la fricción de las partículas del fluido entre sí y contra las
paredes de la tubería que las conduce. Las pérdidas pueden ser continuas, a lo
largo de conductos regulares, o accidentales o localizadas, debido a
circunstancias particulares, como un estrechamiento, un cambio de dirección,
la presencia de una válvula, etc.
PARTÍCULAS EN SUSPENSIÓN.
Las partículas en suspensión (total de partículas suspendidas: TPS) o material
particulado, consisten en acumulación de diminutas piezas de sólidos o
de gotitas de líquidos en la atmósfera ambiental, generada a partir de alguna
actividad antropogénica (causada por «el hombre») o natural.
Los contaminantes en partículas no son idénticos física y químicamente, sino
más bien están constituidos por una amplia variedad de tamaños, formas y
composiciones químicas. Algunos son mucho más nocivos para la salud, las
propiedades y la visibilidad.
25
El interés por las partículas atmosféricas se debe a dos causas importantes:
Afectación del balance de la radiación terrestre.
Efectos nocivos sobre la salud. Las partículas penetran en los pulmones,
los bloquean y evitan el paso del aire, lo cual provoca efectos dañinos.
ÍNDICE DE CALIDAD DEL AIRE DE MATERIA PARTICULADA.
Los organismos gubernamentales de muchos países están controlando los
valores de PM10 (o PM10), es decir el contenido total de partículas de tamaño
inferior a 10 µm, que corresponden a todo el rango de partículas finas
pequeñas, denominadas «partículas inhalables».
Un valor típico de PM10 en un núcleo urbano es de 30 µm/m3 (micrómetros por
metro cúbico). En la actualidad los legisladores utilizan el índice «PM 2,5», que
incluye sólo las partículas finas, también conocidas como «partículas
respirables».
El término «ultrafino» se aplica a las partículas de diámetros muy pequeños,
normalmente menores que 0,05 µm.
Las partículas cuyos diámetros son del orden de la longitud de onda de la luz
visible: 0,4 a 0,8 µm, pueden provocar lo siguiente:
Interferencias en la transmisión de la luz en el aire
Reducción de la:
1. Claridad visual.
2. Visibilidad a largas distancias.
3. Cantidad de luz que llega al suelo.
26
CONTROL DE PARTÍCULAS
La contaminación del aire puede ser definida como gases dañinos o partículas
en la atmósfera externa en concentraciones lo suficientemente altas para ser
dañinas a la salud humana o al bienestar, a las plantas, a los animales o las
cosas; o simplemente el causar la interferencia con el disfrute normal de la vida
o propiedad. Los contaminantes primarios del aire (aquellos emitidos
directamente al aire), y los contaminantes secundarios (aquellos formados por
reacciones en la atmósfera como el nivel de ozono) son ambos problemas
serios. Algunos contaminantes son emitidos en las cantidades muy grandes,
como por ejemplo materia particulada (MP) y los contaminantes gaseosos
(dióxidos de azufre SO2, óxidos de nitrógeno NOx, compuestos orgánicos
volátiles VOCs, y monóxidos de carbono CO).
Materia particulada (MP) es el término general utilizado para una mezcla de
partículas sólidas y de pequeñas gotas líquidas suspendidas en el aire. La
Agencia para la Protección Ambiental (Enviroment Protection Agency - EPA) de
los Estados Unidos, define MP10, como la materia particulada que tiene un
diámetro aerodinámico nominal de 10 µm o menos. Se define MP2.5 como la
MP con diámetro aerodinámico igual o menor a 2.5 µm. En general, “MP
gruesa” se refiere a MP10, mientras que MP “fina” se refiere a MP2.5
Cuanto menor sea una partícula, más tiempo permanecerá en suspensión y por
consiguiente podrá ser transportada a mayores distancias. (Anexo 02) se
muestra tamaños típicos de partículas y los tiempos teóricos para que caigan
1m, según la ley de Stokes.
Partículas muy pequeñas pueden, en la práctica, no sedimentar nunca en una
atmósfera seca. Ya en atmósferas húmedas pueden actuar como núcleos de
condensación de humedad y precipitar con la lluvia. Dependiendo de su
composición química pueden llevar contaminación al suelo y a las aguas.
Además, una vez depositadas, pueden ser movilizadas nuevamente y
transportadas por las aguas o incorporarse a los seres vivos.
27
Un punto importante en gestión de calidad del aire es el tamaño de las
partículas que pasan por las vías respiratorias humanas y alcanzan los
pulmones, que son aquellas de tamaño inferior a 10 µm y denominadas de
fracción inhalable (o respirable).
LA LEY DE STOKES.
La Ley de Stokes se refiere a la fuerza de fricción experimentada por objetos
esféricos moviéndose en el seno de un fluido viscoso en un régimen laminar de
bajos números de Reynolds. Fue derivada en 1851 por George Gabriel Stokes
tras resolver un caso particular de las ecuaciones de Navier-Stokes. En general
la ley de Stokes es válida en el movimiento de partículas esféricas pequeñas
moviéndose a velocidades bajas.
La ley de Stokes puede escribirse como:
,
Donde:
R es el radio de la esfera.
v su velocidad.
η la viscosidad del fluido.
La condición de bajos números de Reynolds implica un flujo laminar lo cual
puede traducirse por una velocidad relativa entre la esfera y el medio inferior a
un cierto valor crítico. En estas condiciones la resistencia que ofrece el medio
es debida casi exclusivamente a las fuerzas de rozamiento que se oponen al
deslizamiento de unas capas de fluido sobre otras a partir de la capa límite
adherida al cuerpo. La ley de Stokes se ha comprobado experimentalmente en
multitud de fluidos y condiciones.
Si las partículas están cayendo verticalmente en un fluido viscoso debido a su
propio peso puede calcularse su velocidad de caída o sedimentación igualando
la fuerza de fricción con el peso aparente de la partícula en el fluido.
28
Donde:
Vs es la velocidad de caída de las partículas (velocidad límite)
g es la aceleración de la gravedad,
ρp es la densidad de las partículas y
ρf es la densidad del fluido.
η es la viscosidad del fluido.
r es el radio equivalente de la partícula.
EL NÚMERO DE REYNOLDS.
El número de Reynolds relaciona la densidad, viscosidad, velocidad y
dimensión típica de un flujo en una expresión adimensional, que interviene en
numerosos problemas de dinámica de fluidos. Dicho número o combinación
adimensional aparece en muchos casos relacionado con el hecho de que el
flujo pueda considerarse laminar (número de Reynolds pequeño) o turbulento
(número de Reynolds grande).
Para un fluido que circula por el interior de una tubería circular recta, el número
de Reynolds viene dado por:
O equivalentemente por:
Donde:
: Densidad del fluido
: Velocidad característica del fluido
: Diámetro de la tubería a través de la cual circula el fluido o longitud
característica del sistema
: Viscosidad dinámica del fluido
29
: Viscosidad cinemática del fluido
Como todo número adimensional es un cociente, una comparación. En este
caso es la relación entre los términos convectivos y los términos viscosos de
las ecuaciones de Navier-Stokes que gobiernan el movimiento de los fluidos
NORMA UNE-EN 15780
Las Normas UNE son documentos elaborados por AENOR (Asociación
Española de Normalización y Certificación), que contienen especificaciones
técnicas para una actividad o producto y que han sido consensuadas entre
todas las partes involucradas.
La Norma UNE-EN 15780 especifica los requisitos y los procedimientos
generales necesarios para evaluar y mantener la limpieza de la ventilación en
el conducto. Abarca:
- La clasificación de la calidad de la limpieza.
- Cómo evaluar la necesidad de limpieza (inspección visual, mediciones).
- La frecuencia de las evaluaciones (orientación general) y directrices para las
inspecciones cuando sea de aplicación.
- La selección del método de limpieza.
- Cómo evaluar el resultado de la limpieza.
Normas relacionadas
- UNE-EN 15239:2007 Ventilación de los edificios. Eficiencia energética de los
edificios. Directrices para la inspección de sistemas de ventilación.
- UNE-EN 15240:2008 Ventilación de los edificios. Eficiencia energética de los
edificios. Directrices para la inspección de sistemas de acondicionamiento de
aire.
- UNE-EN 12599:2001 Ventilación de edificios. Procedimientos de ensayo y
30
métodos de medición para la recepción de los sistemas de ventilación y de
climatización instalados.
Normas Peruanas para la Ventilación
NORMA A.10 (Condiciones Generales de Diseño)
NORMA EM.130 (INSTALACIONES DE VENTILACIÓN)
31
CAPÍTULO III
32
CAPÍTULO III
DESARROLLO DE LA METODOLOGÍA
3.1 SELECCIÓN DEL DISPOSITIVO PARA EL CONTROL DEL POLVO.
De acuerdo a lo expuesto anteriormente y conociendo la necesidad del
proyecto nos valdremos de las recomendaciones que no brinda la siguiente
tabla para la selección de los dispositivos que estarán directamente
involucrados en el sistema de extracción de polvo .Para ello identificaremos el
proceso que se asemeja más al granallado. (Ver anexo 03)
3.2 DESCRIPCIÓN DEL PROYECTO.
Se procede con el diseño del Sistema de Extracción de Polvo para la Empresa
PROMETAL, que por medio de cálculos y análisis se fundamenta el
dimensionamiento, la selección de componentes y el diseño del sistema, que
involucra los siguientes elementos que se disponen desde la captación hasta el
almacenamiento:
Campana captadora.
Ciclón.
Sistema de ductos.
Colector de Polvo (Mangas filtrantes).
Ventilador Centrífugo.
33
Para cuestiones de diseño, se expone las dimensiones del cuarto de
granallado, los cuales son 15m x 7.5m x 6 m. Ver figura 3.1
Figura 3.01: Dimensión general del cuarto de granallado.
3.3 DISEÑO Y DIMENSIONAMIENTO DEL SISTEMA DE EXTRACCIÓN DE
POLVO.
3.3.1 DISEÑO DE CAMPANA CAPTADORA.
La campana de extracción será la encargada de captar los contaminantes
generados por los procesos industriales dentro del cuarto de granallado, su
eficacia depende de su capacidad para generar en las cercanías del foco
emisor del contaminante, velocidades de aire que contrarresten las corrientes
ya existentes en la zona, ya sean éstas creadas por el proceso en sí o por
algún fenómeno relacionado. (Ver anexo 04)
Para el diseño debemos de tener en cuenta algunos parámetros importantes
como es el caudal, el cual dependerá de la geometría, la distancia del foco
contaminante y de la velocidad de captura.
34
Para el dimensionamiento se optará por un modelo que se ajuste a nuestra
necesidad (ver anexo 05), nos muestra las campanas más usuales y sus
respectivas capacidades de flujo.
Para nuestro caso, la campana a diseñar será del tipo (2 ó más ranuras
abiertas con brida) y cuya ubicación será en las paredes laterales próxima al
fondo a una altura de 1 m respecto al nivel del piso, ya que a esa altura se
encuentra la mayor concentración de partículas sólidas en el aire dentro del
cuarto.
Se considera el caudal necesario: (Ver anexo 05)
Q[m3/s] = 0.75(10 X2 + A) Va … (Ecuación 01)
Donde:
X [m]: es la distancia de la campana a la fuente de contaminación.
A [m2]: es el área en la entrada de la campana [largo (L) x ancho (H)].
Va [m/s]: es la velocidad de captación.
Cálculo de X:
Considerando que las campanas se encuentran en las paredes laterales del
cuarto y que la fuente de contaminación se sitúa en la zona central de la misma
asumo que el valor de la distancia (X) es 3 m.
Cálculo de A:
Para el cálculo de la sección (A), de acuerdo a la figura 03, la única restricción
será la relación en las dimensiones, el cual está condicionado por el factor de
forma:
De acuerdo a expuesto, consideramos las siguientes dimensiones:
L = 0.6m; H = 0.5m
35
Verificando:
Ahora:
A= 0.5x0.6 = 0.3 m2
Cálculo de Va:
Para la captación y manejo del aire contaminado intervienen diferentes
velocidades que influyen en su funcionamiento, los cuales son:
Velocidad de captura (Va). Es la velocidad que debe tener el punto más
distante de la campana o cabina para vencer las corrientes contrarias y recoger
o arrastrar aire, gases, polvo o humo, obligándoles a entrar en las. (Ver anexo
06).
Velocidad de entrada (Ve). Es la velocidad con que entra el aire en la
campana. (Ver anexo 06)
Velocidad de transporte (Vt). Es la velocidad que debe tener el aire dentro de
los ductos para evitar que las partículas sedimenten. (Ver anexo 06)
La velocidad de captura (Va) debe ser lo suficiente para que arrastre las
partículas sólidas que se desprenden del proceso de granallado y para la
selección de su valor se tomará la velocidad resultante para una partícula cuya
densidad es 0.72g/cm3 y con diámetro de10µm (ver anexo 07), ya que es el
diámetro mayor de la partícula encontrada en los filtros de mangas de un
cuarto de granallado similar al estudiado en el proyecto.
Entonces:
Va = 0.021 m/s
Reemplazando en la ecuación 01:
Q[m3/s] = 0.75(10 X
2 + A) Va
Q[m3/s] = 0.75[10 (3)2+0.3)0.021 =1.3545 m3/s
36
Éste caudal calculado es el que debe poseer cada campana captadora para
garantizar la captación de las partículas sólidas en suspensión que se
desprenden del proceso de granallado.
3.3.2 DISEÑO DEL SISTEMA DE DUCTOS.
Para el diseño del sistema de ductos, partimos del caudal hallado en la
ecuación 01, y además es indispensable conocer la velocidad necesaria dentro
del conducto para evitar que las partículas sólidas en suspensión sedimenten y
queden depositados en el mismo. La velocidad en cuestión es la velocidad de
transporte que será determinada y recomendada por fabricantes. (Ver anexo
08)
Seleccionamos la velocidad de captación que se asemeja al proceso y
tomamos a 23m/s como la velocidad de captura.
Entonces:
VC = 23m/s
A continuación se detalla el diagrama de flujo del sistema de extracción
indicando los parámetros en cada nodo o punto del sistema como se aprecia
en la figura 3.02.
Figura 3.02: Diagrama de flujo del sistema.
37
Siendo:
- QA y QB: Son los caudales en la campana A y B respectivamente e
igual a los caudales Q1 y Q2.
- D1, D2, D3, D4 y D5: Son los diámetros del conducto en los tramos 1, 2,
3, 4 y 5 respectivamente.
- V1, V2, V3, V4 y V5: Son las velocidades en los tramos 1, 2, 3, 4 y 5
respectivamente.
Del diagrama podemos obtener y deducir lo siguiente:
- QA = QB = Q1 = Q2 = 1.3545m3/s (Ver ecuación 01)
- V1 = V2 = V3 = V4 = V5 =VC = 23m/s
- Q3 = Q1 + Q2 = 1.3545 + 1.3545 = 2.71m3/s
Conocidos algunos de los caudales y las velocidades de transporte en los
tramos del diagrama de flujo del sistema, procedemos a calcular el diámetro de
los tramos, a través de la siguiente ecuación:
… (Ecuación 02)
Donde:
Ai: es el área del conducto i (m2).
Qi: es el caudal del fluido i (m3/s).
Vi: es la velocidad del fluido i (m/s).
Hallado el área obtenemos los diámetros para cada tramo a partir de la
siguiente ecuación:
… (Ecuación 03)
38
Realizando los cálculos necesarios obtenemos la siguiente tabla.
TRAMOS CAUDAL Q(m3/s)
VELOCIDAD (m/s)
ÁREA DUCTO (m2)
DIÁMETRO DUCTO (m)
1 1,35 23 0,06 0,27
2 1,35 23 0,06 0,27
3 2,71 23 0,12 0,39
Tabla 3.01: Datos iniciales del sistema de extracción por tramos.
3.3.3 DISEÑO DEL CICLÓN.
De las familias de Ciclones expuesta en el capítulo anterior precedemos con el
cálculo de las dimensiones, que para nuestro caso optaremos el tipo
convencional Lapple. Las relaciones de las dimensiones se detallan (ver anexo
09)
Para calcular el diámetro del ciclón se selecciona la velocidad de entrada que
ya lo tenemos definido como la velocidad en el tramo 3 (ver anexo 08) e igual a
23m/s. Procedemos a determinar el diámetro del ciclón y las otras dimensiones
con base en las relaciones establecidas. (Ver anexo 09 y 10)
Área del ducto de entrada.
… (Ecuación 04)
Donde:
Q : Es el caudal al ingreso del Ciclón (Q3)
V: Es la velocidad al ingreso del Ciclón (V3)
Pero se sabe: (Ver anexo 10)
Área del ducto de entrada = a x b
39
Altura de entrada: a = 0.5 Dc
Ancho de entrada: b = 0.25 Dc
Entonces:
a x b = (0.5Dc)(0.25Dc) = 0.117 m2 → Dc = = 0.967m
Las demás dimensiones serán:
Altura de entrada (a): a = 0.5Dc = 0.48m
Ancho de entrada (b): b = 0.25Dc = 0.24m
Altura de salida (S): S = 0.625Dc = 0.60m
Diámetro de salida (Ds): Ds = 0.5DC = 0.48m
Altura parte cilíndrica (h): h = 2.0Dc = 1.9m
Altura parte cónica (z): z = 2.0Dc = 1.9m
Altura total de ciclón (H): H = 4.0Dc = 3.8m
Diámetro salida de partículas (B): B = 0.25Dc = 0.24m
40
3.3.4 DISEÑO DEL COLECTOR DE POLVO.
Para el dimensionamiento del colector de polvo con filtros de mangas, el caudal
a utilizar será la suma de caudales de las 02 campanas captadoras, el cual
permitirá seleccionar sus dimensiones de acuerdo al anexo 11.
Sabemos: Caudal = 2.71m3/s = 162.6 m3/min
(Ver anexo 11) seleccionamos el modelo CPM-64/24, el cual contará con 64
mangas dispuestas en 8 filas y 8 columnas en el denominado espejo del
colector. Existen diversos tamaños de mangas comúnmente usados en los
colectores de polvo y éstas varían de fabricante en fabricante, sin embargo, los
tamaños más comunes de las bolsas filtrantes para filtros Jet Pulse son:
De 5 ¼ pulg. Ø por 96 pulg. de longitud.
De 5 ¼ pulg. Ø por 120 pulg. de longitud.
De 6 pulg. Ø por 120 pulg. de longitud.
De 6 pulg. Ø por 144 pulg. de longitud.
De 6 pulg. Ø por 160 pulg. de longitud.
Entonces el colector a considerar contará con las siguientes dimensiones: (Ver
anexo 11 y 12)
Alto [C]: 5250mm
Largo [A]: 1560mm
Ancho [B]: 1560mm
El colector albergará mangas de diámetro 5 ¼” por 96” de longitud y será del
material poliéster.
41
3.3.5 SELECCIÓN DEL VENTILADOR CENTRÍFUGO.
Para la seleccionar del ventilador, que es dispositivo encargado de crear una
presión negativa dentro del ambiente de extracción con el propósito de extraer
las partículas sólidas que se desprenden del proceso de granallado,
necesitamos conocer la carga que debe de vencer al paso de cada dispositivo
mecánico existentes del sistema de extracción.
Es así que se modela en 3D el sistema de acuerdo a las dimensiones ya
calculados (ver figura 3.03), con la intención de identificar cada dispositivo y
poder realizar el análisis de pérdida de carga en cada una de ella.
A continuación las características de cada dispositivo se detallan en la tabla
3.02.
ITEM
DESCRIPCIÓN DIMENSIONES CAUDAL (m3/s)
VELOCIDAD
(m/s) MATERIAL
1 CAMPANA CAPTADORA 500x600 - 1140mm 1,35 23 ACERO GALV. 1/16"
2 DUCTO RECTO Ø270 - 2095mm 1,35 23 ACERO GALV. 1/16"
3 CODO 90º Ø270 - Rc 405mm 1,35 23 ACERO GALV. 1/16"
4 DUCTO RECTO Ø270 - 2595mm 1,35 23 ACERO GALV. 1/16"
5 DUCTO RECTO Ø270 - 1750mm 1,35 23 ACERO GALV. 1/16"
6 CODO 60º Ø270 - Rc 405mm 1,35 23 ACERO GALV. 1/16"
7 DUCTO UNIÓN LATERAL(YEE)
Ø270 - Ø270 - Ø390 - 1200mm 2,7 23 ACERO GALV. 1/16"
8 DUCTO RECTO Ø390 - 1800mm 2,7 23 ACERO GALV. 1/16"
9 TRANSICIÓN Ø390 - 480x240 - 450mm 2,7 23 ACERO GALV. 1/16"
10 CICLÓN Ø967 - 3800mm 2,7 23 ACERO ASTM A36
11 CODO 90º Ø480 - Rc480mm 4,16 23 ACERO GALV. 1/16"
12 DUCTO RECTO Ø480 - 3120mm 4,16 23 ACERO GALV. 1/16"
13 COLECTOR DE POLVO 5600 - 1920 - 1920 mm 4,16 23 ACERO ASTM A36
14 TRANSICIÓN 600x300 - Ø450-500mm 4,16 23 ACERO GALV. 1/16"
15 VENTILADOR CENTRÍFUGO - 4,16 23 ACERO ASTM A36
Tabla 3.02: Parámetro del sistema colector de polvo.
42
Figura 3.03: Detalle del Sistema Colector de Polvo modelado en Solidworks.
43
Expuesto los detalles del Sistema Colector de Polvo en la tabla 3.02 y en la
figura 3.03 procedemos al cálculo de las pérdidas de cargas mediante el
método de presión dinámica. Este método se basa en el hecho de que todas
las pérdidas de carga, por rozamiento en conductos y resistencia de forma por
desprendimientos en accesorios, son función de la presión dinámica (Pd), y
pueden ser calculadas multiplicando la presión dinámica por un factor de
pérdidas por fricción(n), el cual se determina por medio de tablas, según sea el
accidente que se encuentra el aire al paso por una canalización.
Para el cálculo de la pérdida total del sistema emplearemos la siguiente
ecuación:
PT = n x Pd (mm.c.d.a) … (Ecuación 05)
La presión dinámica se obtiene directamente (Ver anexo 13)
Entonces:
Donde:
Pd: es la presión dinámica (mm.c.a.)
V: es la velocidad del aire dentro del conducto (23 m/s).
Hallando la presión dinámica:
= 32.4mm.c.a.
Con la obtención de la presión dinámica procedemos a hallar las pérdidas en
cada dispositivo del sistema de extracción:
3.3.5.1 CÁLCULO DEPÉRDIDAS DE CARGA EN LAS CAMPANAS.
El valor del coeficiente “n” como se puede apreciar (ver anexo 14), depende del
ángulo α, que viene determinada por el diseño de la campana y para nuestro
caso el valor del ángulo será 25.6º.
Así estimamos el valor del coeficiente “n” a:
44
n = 0.18
Entonces la pérdida en la campana extractora será: (Ver ecuación 05)
PT1 = 0.18x32.4 = 5.83 mm.c.d.a.
3.3.5.2 CÁLCULO DE PÉRDIDAS DE CARGAS EN DUCTOS RECTOS Y
CODOS.
Para calcular la pérdida de carga de tramos rectos disponemos nomogramas
confeccionados, a base de todo el bagaje técnico expuesto y son válidos para
conducciones con la rugosidad corriente en materiales habitualmente usados.
El nomograma (ver anexo 15) muestra uno de ellos para secciones circulares y
un coeficiente de fricción l = 0,02 (plancha de hierro galvanizada o tubos de
fibrocemento).
De los parámetros del ITEM 2 tenemos: Ver tabla 3.02.
Un caudal de 1.35m3/s (4860m3/h) que circula por un ducto de 0.27m de
diámetro a una velocidad de 23m/s, con una pérdida de 1.9 mm.c.d.a/m
Entonces la pérdida de carga para el ITEM 2 será:
PT2 = 1.9xL = 1.9 x 2.095 = 2.98mm.c.d.a.
De los parámetros del ITEM 4 tenemos: Ver tabla 3.02.
Un caudal de 1.35m3/s(4860m3/h) que circula por un ducto de 0.27m de
diámetro a una velocidad de 23m/s, con una pérdida de 1.9 mm.c.d.a/m
Entonces la pérdida de carga para el ITEM 4 será:
PT4 = 1.9 x L = 1.9 x 2.595 = 4.93mm.c.d.a.
45
De los parámetros del ITEM 5 tenemos: Ver tabla 3.02.
Un caudal de 1.35m3/s(4860m3/h) que circula por un ducto de 0.27m de
diámetro a una velocidad de 23m/s, con una pérdida de 1.9 mm.c.d.a/m
Entonces la pérdida de carga para el ITEM 5 será:
PT5 = 1.9 x L = 1.9 x 1.750 = 3.32mm.c.d.a.
De los parámetros del ITEM 8 tenemos: Ver tabla 3.02.
Un caudal de 2.7m3/s(9720m3/h) que circula por un ducto de 0.390m de
diámetro a una velocidad de 23m/s, con una pérdida de 1.4mm.c.d.a/m
Entonces la pérdida de carga para el ITEM 8 será:
PT8 = 1.4 x L = 1.4 x 1.8 = 2.52mm.c.d.a.
De los parámetros del ITEM 12 tenemos: Ver tabla 3.02.
Un caudal de 4.16m3/s(14976m3/h) que circula por un ducto de 0.480m de
diámetro a una velocidad de 23m/s, con una pérdida de 1mm.c.d.a/m
Entonces la pérdida de carga para el ITEM 14 será:
PT12 = 1 x L = 1 x 3.120 = 3.12mm.c.d.a.
Pérdidas de cargas en Codos.
Para conocer las pérdidas de cargas que existen en los codos del sistema, al
igual que las campanas, también haremos uso de la presión dinámica (Pd) que
en cálculos anteriores se halló, y para el valor del coeficiente de pérdidas de
carga “n” de tablas (ver anexo 16) extraída de catálogos de ventilación
industrial.
Para la fabricación de los codos al ser de planchas galvanizadas se requerirá
de muchas piezas para su ensamble, de acuerdo a lo siguiente:
46
Para los codos de 90º serán 04 piezas.
Para los codos de 60º serán 03 piezas.
Con lo expuesto se procede a hallar las pérdidas de cargas por medio de la
ecuación 04, para cada codo existente en el sistema.
De los parámetros del ITEM 3 tenemos: (Ver tabla 3.02)
Un codo de 90º de 270mm de diámetro, cuyo radio de curvatura inferior es
270mm, entonces:
= = 1
(Ver anexo 16), entonces se tiene que n = 0.25, entonces de la ecuación 05
tenemos:
PT3 = 0.25 x 32.4 = 8.1mm.c.d.a.
De los parámetros del ITEM 6 tenemos: (Ver tabla 3.02)
Un codo de 60º de 270mm de diámetro, cuyo radio de curvatura inferior es
270mm, entonces:
= = 1
(Ver anexo 16), entonces se tiene que n = 0.32, entonces de la ecuación 05
tenemos:
PT6 = 0.32 x 32.4 = 10.37mm.c.d.a.
47
De los parámetros del ITEM 11 tenemos: Ver tabla 3.02.
Un codo de 90º de 480mm de diámetro, cuyo radio de curvatura inferior es
595mm, entonces:
= = 1
(Ver anexo 16), entonces se tiene que n = 0.25, entonces de la ecuación 05
tenemos:
PT11 = 0.25 x 32.4 = 8.1mm.c.d.a.
3.3.5.3 CÁLCULO DE PÉRDIDAS DE CARGAS EN UNIONES LATERALES
(YEE).
Para el cálculo de la pérdida de cargas debemos saber que se produce en
conducto lateral y se debe contabilizar en el mismo y no debemos incluir en el
cálculo la recuperación de presión en los conductos laterales con uniones
progresivas.
De los parámetros del ITEM 7 tenemos: Ver tabla 3.02.
Una unión con 30º de desviación; entonces se obtiene el coeficiente de
rozamiento igual a 0.18 (ver anexo 17), de la ecuación 05 tenemos:
PT7 = 0.18x32.4 = 5.83mm.c.d.a.
Cálculo de pérdidas de cargas en transiciones.
De los parámetros del ITEM 9 tenemos: Ver tabla 3.02.
Para el cálculo del conducto cuya sección va de círculo a rectángulo (Ø390-
480x240-450mm) se hallará en equivalente de sección circular en la sección
rectangular (ver anexo 18)
48
Del anexo 18, obtenemos que para un conducto de 480x240mm, tenemos un
diámetro equivalente de 370mm, por lo cual tenemos un conducto cuyo cambio
de sección es de Ø390 a Ø370mm cuya longitud es de 450mm y el ángulo de
disminución es 2º.
Del anexo 19, el coeficiente n = 0.01 y de la ecuación 05:
PT9 = 0.01x32.4 = 0.324 mm.c.d.a.
De los parámetros del ITEM 14 tenemos: Ver tabla 3.02.
Para el cálculo del conducto cuya sección va de círculo a rectángulo
(1000x400-Ø450 - 500mm) se hallará en equivalente de sección circular en la
sección rectangular como el caso anterior y para eso nos valdremos del anexo
18, entonces obtenemos que para un conducto de 1000x400mm, tenemos un
diámetro equivalente de 650mm, por lo cual tenemos un conducto cuyo cambio
de sección es de Ø650a Ø450mm cuya longitud es de 450mm y el ángulo de
disminución es 13º, (ver anexo 19) tenemos que n = 0.06. De la ecuación 05:
PT14 = 0.06x32.4 = 1.94 mm.c.d.a.
3.3.5.4 CÁLCULO DE PÉRDIDAS DE CARGAS EN EL CICLÓN.
La pérdida de carga del ciclón depende de la velocidad de entrada al ciclón. Es
en realidad la suma de varios términos:
Pérdida de presión a la entrada del ciclón.
Pérdida debida a la aceleración de los sólidos.
Pérdidas en el barril.
Pérdidas por el flujo reverso (cuando cambia hacia la espiral
ascendente)
Pérdidas por contracción en el conducto de salida.
49
Las relaciones que presentar los fabricantes para su cálculo solamente es
aplicable a su diseño y es por eso que la expresión a utilizar sólo es aplicable al
diseño del presente proyecto, ante lo expuesto se tiene:
… (Ecuación 06)
En donde:
Q: Es el flujo de aire en CFM
P: La presión del aire en atmósferas, 1atm
T Temperatura en ºR, la cual será de 25ºC, temperatura ambiente
K Factor empírico de diseño y depende del diámetro del ciclón DC
K =3.89 x 10-5
Q = 2.7 m3/s = 5721 CFM
T = 25ºC = 536.67 ºR
Reemplazando en la ecuación 06 se tiene:
PT12
50
3.3.5.5 CÁLCULO DE PÉRDIDAS DE CARGAS EN EL COLECTOR DE
POLVO.
Para el cálculo de la caída de presión necesitamos conocer la relación aire-tela
y para filtros Jet Pulse, que normalmente operan a dos o más veces la relación
de aire-tela de los filtros con aire a la inversa, la siguiente ecuación, expresada
en el sistema inglés, se utiliza para representar la temperatura, el tamaño de
las partículas, y la carga de polvo:
… (Ecuación 07)
En donde:
V: Relación aire-Tela. [pies/minuto]
A: Factor del material. (Ver anexo 20).
B: Factor de aplicación, (Ver anexo 20).
T: Temperatura. (Entre 50 y 275°F)
L: Carga de polvo de entrada [gramos/pie cúbico], entre 0.05 y 100.
D: Diámetro promedio de la partícula [micras], entre 3 y 100.
Para temperaturas por debajo de 50°F, úsese T = 50 pero se espera una
exactitud disminuida; para temperaturas por encima de 275°F, úsese T = 275.
Para diámetros promedio de partículas menores de 3 micras, el valor de D es
0.8, y para diámetros mayores de 100 micras, D es 1.2.
Para cargas de polvo menores de0.05 gramos por pie cúbicos, se utiliza L =
0.05; para cargas de polvo por encima de 100 gramos por pie cúbico, se utiliza
L = 100
Identificando variables:
A = 9.0 (ver anexo 20)
B = 0.9 (ver anexo 20)
L = 100
T = 25ºC <> 77 ºF
D = 0.8
51
De la ecuación 07:
V = 2.878 x 9 x 0.9 x 77-0.2335 x 100-0.0621 x [0.7471 + 0.0853 x Ln (0.8)]
V= 4.62 ft/min
Una de las formas para calcular la caída de presión máxima en la tela de un
filtro de mangas, es empleando la siguiente ecuación:
… Ecuación 08:
En donde: ΔP: Caída de presión total por el colector en pulgadas c.a.
Vf: Velocidad de filtración o relación aire-tela. [ft/min]
Kf: Coeficiente de resistencia específica del polvo. [[Pa/(m/min)]/(kg/m2)]
Ci: Concentración de polvo de entrada. [kg/m3]
t: Tiempo de filtración. [minutos]
Pj: Presión del chorro pulsante.
Aunque existe mucha variabilidad, los valores para Se están en un rango de
0.163 a1.632 kPa/(m/min) (0.2 a 2 in.H2O/(pie/min)).
Para K2 desde 0.2[kPa/(m/min)]/(kg/m) hasta de 5 a 6.7 [kPa/(m/min)]/(kg/m2)
(1.2 a 30–40)[in.H2O/(pie/minuto)]/(libras/pie2)).
Los valores típicos de K para la ceniza flotante de carbón son de alrededor de
0.167 a 0.669 [kPa/(m/min)]/(kg/m2) (1 a 4 en unidades inglesas).
Las concentraciones de entrada varían desde menos de 1.766gramos por
metro cúbico (0.05 g/pie3) a más de 3,531.5 gramos por metro cúbico (100
g/pie3), pero un rango aún más típico es de alrededor de 17.66 a 353.15
gramos por metro cúbico (0.5 a 10 g/pie3).
Los tiempos de filtración varían en un rango de 20 a 90 minutos para filtros en
uso continuo, pero el rango entre 30 y 60 minutos se encuentra con mayor
frecuencia, entonces por ser de uso continuo determinamos el tiempo de
filtración igual a 20minutos.Además como estos filtros de mangas con limpieza
por aire comprimido, utilizan un torrente de aire comprimido de
52
aproximadamente 414 a 689kPa (60 a 100psi), asumiremos a 100psi como la
presión de chorro pulsante con un K2 de 1.
Entonces de la ecuación 3.07 se tiene:
P = 6.08 x 4.62 x 100-0.65 + 1 x 4.622 x (0.5/700) x 20
P = 1.71 pulg. d.c.a. = 43.50 mm.c.d.a.
En resumen se tiene las caídas de cargas en la siguiente tabla.
ITEM DESCRIPCIÓN
PÉRDIDAS DE CARGA PARCIAL
(mm.c.d.a.)
CANTIDAD PÉRDIDAS DE CARGA (mm.c.d.a.)
1 CAMPANA CAPTADORA 5,83 2 11,66
2 DUCTO RECTO 2,98 1 2,98
3 CODO 90º 8,1 1 8,1
4 DUCTO RECTO 4,93 1 4,93
5 DUCTO RECTO 3,32 1 3,32
6 CODO 60º 10,37 2 20,74
7 DUCTO UNIÓN LATERAL(YEE) 5,83 1 5,83
8 DUCTO RECTO 2,52 1 2,52
9 TRANSICIÓN 0,324 1 0,324
10 CICLÓN 4,44 1 4,44
11 CODO 90º 8,1 3 24,3
12 DUCTO RECTO 3,12 1 3,12
13 COLECTOR DE POLVO 43,5 1 43,5
14 TRANSICIÓN 1,94 1 1,94
PÉRDIDAS DE CARGAS TOTAL 137,704
Tabla 3.03: Resumen final de pérdidas de cargas del sistema de extracción de polvo.
53
3.3.5.6 CARACTERÍSTICAS TÉCNICAS DEL VENTILADOR INDUSTRIAL
SELECCIONADO.
Continuando con la selección del ventilador, ahora que ya se conoce la pérdida
de presión o carga total del sistema, conocemos la presión negativa que debe
generar el ventilador dentro del sistema, el cual deberá garantizar que los
parámetros ya hallados permanezcan dentro de un margen aceptable.
Especificaciones del Ventilador:
Ventilador Industrial: Tipo Centrífugo de Mediana Presión.
Caudal: 4.16 m3/s = 14 976 m3/h = 8 815 CFM
Presión Total: 138mm.c.d.a. = 5.43”c.d.a.= 1352.4 Pa
De catálogos de fabricantes seleccionamos el ventilador centrífugo modelo CM
500, el cual se adapta a la necesidad del sistema de extracción y colector de
polvo del presente proyecto. (Ver anexo 21)
El Ventilador Centrífugo cuenta con un rodete impulsor del tipo alabes
atrasados, fabricado en lámina de acero rolada al frío. (Ver anexo 22)
El funcionamiento de un ventilador está descrito en función del caudal y la
presión que puede generar y no es posible la selección de un ventilador con un
solo parámetro, por eso es importante tener dichos datos. Las curvas
características del ventilador es precisamente el encargado de describir la
relación entre el caudal y la presión.
La curva característica de un ventilador se obtiene dibujando en unos ejes de
coordenadas los distintos valores caudal-presión, obtenidos mediante ensayo
en un laboratorio y estas curvas características deben estar garantizados por el
fabricante y dar referencia expresa de la normalización que se ha utilizado para
lograrlas.
54
La curva característica del ventilador seleccionado, fue realizada por el
fabricante bajo la normativa ANCA 301 (AIR MOVEMENT AND CONTROL
ASSOCIATION INTERNATIONAL). Ver anexo 23
Finalmente tenemos: (Ver anexo 23)
Ventilador Centrífugo
Modelo: CM 500 (Soler &Palau)
Caudal: 4.16 m3/s = 14 976 m3/s = 8 815 CFM
Presión: 138mm.c.d.a. = 5.43” c.d.a= 1352.4 Pa
Eficiencia: 62%
Diámetro de la turbina: 510mm
Motor: 15.5 BPH (11.55 KW) –2547 RPM
Del anexo 24, podemos extraer las dimensiones generales que tendría el
Ventilador Centrífugo (CM 500) seleccionado, el cual será de mucha utilidad
para diseñar un equivalente y preceder con los planos para la fabricación.
(Ver anexo 30).
3.4 CRONOGRAMA DE TRABAJO DEL SISTEMA DE EXTRACCIÓN DE
POLVO.
Una vez seleccionado los componentes del sistema con sus respectivas
características, presentamos el cronograma para la fabricación, instalación y
operación del sistema colector de polvo.
Para el desarrollo del cronograma se consideró que para cada actividad desde
la fabricación hasta la instalación, existen 02 operarios en metalmecánica con
experiencia, siendo 10 operarios trabajando en forma paralela y realizando
trabajos netamente mecánicos.
55
Figura 3.04: Cronograma de fabricación del sistema de extracción de polvo.
56
3.5 METRADO Y ANÁLISIS DE COSTO DEL SISTEMA DE EXTRACCIÓN DE POLVO.
El siguiente análisis sólo abarca las estructuras metálicas (sistema mecánico), lo cuales pueden ser fabricadas dentro de la
empresa sin considerar la mano de obra de cada operario. Poniendo en claro dicho análisis se dispone al metrado de los
materiales metálicos a utilizar, en el sistema, y su costo; así mismo debemos de considerar las mermas en el proceso de
fabricación que se traducen en pérdidas de material, adicionando al total de cada material un 25%.
Sistema de ductos. (Tabla 3.04)
SISTEMA DE DUCTOS
ITEM QTY DESCRIPCIÓN MATERIAL Width Length Masa/Unidad Área(m2) Masa T.
1 2 CAMPANA CAPATADORA PL GALV. 1,5mmx 1470 mmx 1485 mm 26 Kg 4,4 m2 53 Kg
2 1 DUCTO RECTO PL GALV. 1,5mmx 850 mmx 2095 mm 21 Kg 1,8 m2 21 Kg
3 1 CODO 90º PL GALV. 1,5mmx 655 mmx 850 mm 7 Kg 0,6 m2 7 Kg
4 1 DUCTO RECTO PL GALV. 1,5mmx 850 mmx 2595 mm 27 Kg 2,2 m2 27 Kg
5 1 DUCTO RECTO PL GALV. 1,5mmx 850 mmx 1750 mm 18 Kg 1,5 m2 18 Kg
6 1 CODO 60º PL GALV. 1,5mmx 435 mmx 850 mm 4 Kg 0,4 m2 4 Kg
7 1 UNIÓN YEE PL GALV. 1,5mmx 1225 mmx 1905 mm 28 Kg 2,3 m2 28 Kg
8 1 DUCTO RECTO PL GALV. 1,5mmx 1225 mmx 1800 mm 27 Kg 2,2 m2 27 Kg
9 1 TRANSICIÓN PL GALV. 1,5mmx 525 mmx 1430 mm 9 Kg 0,8 m2 9 Kg
11 3 CODO 90º PL GALV. 1,5mmx 775 mmx 1510 mm 14 Kg 3,5 m2 42 Kg
12 1 DUCTO RECTO PL GALV. 1,5mmx 1510 mmx 3120 mm 57 Kg 4,7 m2 57 Kg
14 1 TRANSICIÓN PL GALV. 1,5mmx 640 mmx 1750 mm 13 Kg 1,1 m2 13 Kg
TOTAL 25,4 m2 306 Kg
57
Ciclón. (Tabla 3.05)
CICLÓN
ITEM QTY DESCRIPCIÓN MATERIAL Width Length Masa/Unidad Área(m2) Masa T.
10
2 CILINDRO PL ASTM A36 3,2mmx 1900 mmx 3040 mm 144 Kg 11,6 m2 288 Kg 1 TRONCO CONO PL ASTM A36 3,2mmx 2330 mmx 2350 mm 137 Kg 5,5 m2 137 Kg 1 INGRESO PL ASTM A36 3,2mmx 955 mmx 1015 mm 24 Kg 1,0 m2 24 Kg 1 SALIDA PL ASTM A36 3,2mmx 1510 mmx 1160 mm 44 Kg 1,8 m2 44 Kg 4 PATAS TUB. Ø4" SCH-40 2600 mm 42 Kg 0,0 m2 167 Kg
Resumen Descripción Longitud Área Masa Parcial
PL ASTM A36 3,2mmx 19,7 m2 493 Kg TUB. Ø4" SCH-40 10400 mmx 167 Kg
Total 660 Kg
Resumen Descripción Longitud Área Masa Parcial
PL GALV. 1,5mmx
25,4 m2 306 Kg
Total
306 Kg
58
Colector de Polvo (Mangas filtrantes). (Tabla 3.06)
COLECTOR DE POLVO
ITEM QTY DESCRIPCIÓN MATERIAL Width Length Masa/Unidad Área(m2) Masa T.
13
1 CUERPO PL ASTM A36 4,8mmx 3450 mmx 6240 mm 804 Kg 21,5 m2 804 Kg 4 TOLVA PL ASTM A36 3,2mmx 1600 mmx 1500 mm 60 Kg 9,6 m2 239 Kg 1 INGRESO PL ASTM A36 3,2mmx 1000 mmx 1500 mm 37 Kg 1,5 m2 37 Kg 1 SALIDA PL ASTM A36 3,2mmx 400 mmx 6240 mm 62 Kg 2,5 m2 62 Kg 1 PLANCHA ESPEJO PL ASTM A36 4,8mmx 1550 mmx 1550 mm 90 Kg 2,4 m2 90 Kg 4 PATAS TUBO ASTM A36 4"x4"x 1/4" 2600 mm 42 Kg 0,0 m2 167 Kg 4 REFUERZOS L 2in x A36 4,8mmx 50 mmx 8837 mm 33 Kg 1,8 m2 132 Kg
Resumen Descripción Longitud Área Masa Parcial
PL ASTM A36 4,8mmx 23,9 m2 894 Kg
PL ASTM A36 3,2mmx 13,6 m2 339 Kg TUBO ASTM A36 4"x4"x
1/4" 10400 mmx 167 Kg
L 2in x A36 4,8mmx 35348 mmx 132 Kg
Total 1532 Kg
59
Ventilador centrífugo industrial. (Tabla 3.07)
VENTILADOR CENTRÍFUGO
ITEM QTY DESCRIPCIÓN MATERIAL Width Length Masa/Unidad Área(m2) Masa T.
15
4 BASE PL ASTM A36 4,8mmx 850 mmx 520 mm 17 Kg 1,8 m2 66,1 Kg 1 CINTA PL ASTM A36 3,2mmx 345 mmx 2250 mm 19 Kg 0,8 m2 19,4 Kg 2 CARACOL PL ASTM A36 3,2mmx 795 mmx 910 mm 18 Kg 1,4 m2 36,1 Kg 1 REFUERZOS PT ASTM A36 4,8mmx 50 mmx 2000 mm 4 Kg 0,1 m2 3,7 Kg 1 TAPA PL ASTM A36 3,2mmx 550 mmx 550 mm 8 Kg 0,3 m2 7,6 Kg 1 CONO PL ASTM A36 3,2mmx 1100 mmx 465 mm 13 Kg 0,5 m2 12,8 Kg
1 ROTOR
PL ASTM A36 12,7mmx 510 mmx 510 mm 26 Kg 0,3 m2 25,9 Kg
PL ASTM A36 4,8mmx 300 mmx 2100 mm 24 Kg 0,6 m2 23,5 Kg
PL ASTM A36 3,2mmx 350 mmx 1200 mm 11 Kg 0,4 m2 10,6 Kg
Resumen Descripción Longitud Área Masa Parcial
PL ASTM A36 12,7mmx 0,3 m2 25,9 Kg
PL ASTM A36 4,8mmx 2,5 m2 89,6 Kg
PL ASTM A36 3,2mmx 3,5 m2 86,4 Kg
PT ASTM A36 4,8mmx 2000 3,7 Kg
Total 205,7 Kg
60
Como se mencionó anteriormente, el cual se recomendaba adicionar un 25% a cada material por las pérdidas de las mismas,
debido al proceso de fabricación, a continuación obtenemos el resumen final con el adicional ya mencionado.
Resumen Final de Materiales
Descripción Longitud Área Masa Parcial Dimen. Fábrica Cantidad Costo Unitario Costo Parcial
PL GALV. 1,5mmx 25,4 m2 306 Kg Plancha(2,4x1,2m) 11 121,37 s/ 1337,90
PL ASTM A36 3,2mmx 36,8 m2 918 Kg Plancha(2,4x1,2m) 16 120,65 s/ 1927,13
PL ASTM A36 4,8mmx 26,4 m2 984 Kg Plancha(2,4x1,2m) 11 182,39 s/ 2092,19
PL ASTM A36 12,7mmx 0,3 m2 26 Kg Plancha(2,4x1,2m) 1 835,63 s/ 835,63
PT ASTM A36 4,8mmx 2 m 4 Kg Platina ( 6m) 1 21,41 s/ 21,41
L 2in x A36 4,8mmx 35 m 132 Kg Ángulos (6m) 7 57,79 s/ 425,58 TUBO ASTM A36 4"x4"x
1/4" 10 m 167 Kg Tubos (6m) 2 329,35 s/ 713,58 TUB. Ø4" SCH-40 10 m 167 Kg Tubos (6m) 2 274,89 s/ 595,59
Total s/ 7949,00
(Tabla 3.08)
De la tabla resumen final, obtenemos el costo netamente mecánico, no incluye mangas (filtros), motor, amortiguadores, sistema
de limpieza neumática, sistema eléctrico, ni soporte del ventilador-Escalera Gato (existente y propiedad de la Empresa
PROMETAL).
61
CONCLUSIONES:
A. Con lo expuesto en el presente y siguiendo los parámetros para la
selección o fabricación del sistema de extracción, se garantiza el buen
desempeño de los operadores dentro del cuarto de granallado, ya que el
sistema de extracción y colector de polvo jugará un papel muy
importante en la visibilidad dentro del cuarto de granallado, al extraer las
partículas sólidas que se desprenden del proceso, que además de viciar
el ambiente obstruyen la perspectiva visual del operario.
B. Con la instalación del sistema de extracción se garantiza que la pieza
después de ser tratada dentro del cuarto de granallado, reducirá
notablemente los contaminantes sólidos depositados en la superficie, ya
que al extraer la partículas sólidas de ambiente evitamos que
sedimenten sobre la superficie tratada, el cual puede volver a la
superficie debido que en el proceso se emite un chorro de granalla a alta
presión con velocidades considerables.
C. Teniendo las dimensiones y las especificaciones técnicas definidas es
posible fabricar los componentes mecánicos del sistema que sería más
del 70% de todo el sistema, considerando que la Empresa PROMETAL
es una empresa metalmecánica y cuenta con las herramientas
necesarias para realizar dicho trabajo, los componentes a comprar sólo
serían las mangas filtrantes, el sistema de limpieza automática por
inyección de aire, el motor eléctrico y demás componentes eléctricos).
RECOMENDACIONES:
A. Los equipos a instalar deberán de cumplir con lo que especifica el
proyecto, como es la disposición de las campanas captadoras.
B. Sobre el criterio de selección del ventilador se recomienda agregar un
factor de seguridad del 25%a los parámetros de caudal y presión,
cubriendo por más la necesidad del sistema, que de por sí el ventilador
seleccionado de catálogos de fabricantes ya cubre.
C. Para evitar posibles deformaciones en las estructuras, entre el
Ventilador Centrífugo y colector de polvo utilizar una unión flexible o
62
colocar amortiguadores sobre la base del ventilador para la absorción de
las vibraciones cuando el ventilador está en funcionamiento.
D. Como el Sistema de Ventilación y extracción de polvo está dispuesto en
el exterior del cuarto, se recomienda protegerlo por medio de un pórtico
cobertor.
BIBLIOGRAFÍA:
1. Ronald Mas B. (DISEÑO DE SISTEMA DE EXTRACCIÓN DE
EMISIONES DE GASES DE COMBUSTIÓN DE BIOMASA BAJO
CONDICIONES CONTROLADAS), tesis para la obtención del título de
Ingeniero Mecánico – Pontificia Universidad Católica del Perú, Perú
2011.
2. Juan Pablo Nivelo C., Juan Ugalde P. - (DISEÑO DE UN SISTEMA DE
EXTRACCIÓN DE POLVO PARA LA EMPRESA INSOMET), tesis para
la obtención del título de Ingeniero Mecánico – Universidad Politécnica
Salesiana, Ecuador 2011.
3. Edwin Fernández, (MEJORAS EN LA EFICIENCIA DE LOS COLECTORES DE POLVO TIPO JET PULSE Y PRECIPITADOR ELECTROSTÁTICO), Tesis para optar el título de Ingeniero Mecánico Electricista - Universidad de Piura, Perú 2008.
4. Mataix C. Mecánica de Fluidos y Maquinas Hidráulicas,Cuarta Edición. Editorial Harla S.A, México (1975).
5. Manual Práctico de Ventilación Soler &Palau.
6. Catálogo Ventiladores Centrífugos Vent-Set S&P
7. Norma AMCA 205-10 (Clasificación de eficiencia energética para Ventiladores).
63
ANEXOS
64
Anexo 01
(Intervalo de eficiencia de remoción para las diferentes familias de ciclones).
Anexo 02
(Tamaños típicos de emisiones atmosféricas de partículas).
65
Anexo 03
(Recomendaciones de dispositivos según la Industria y Operación).
Anexo 04
(Captación de los contaminantes induciendo una velocidad de aire suficiente).
66
Anexo 05
(Tipos de Campanas Captadoras).
Anexo 06
(Velocidades que influyen en funcionamiento).
67
Anexo 07
(Captación de Aire contaminado en Campana Extractoras).
68
Anexo 08
(Valores recomendados para la velocidad de transporte).
Anexo 09
(Características de los Ciclones convencionales).
69
Anexo 10
(Dimensiones del Ciclón).
Anexo 11
(Características técnicas, largo de mangas 2400mm <> 96in de longitud).
70
Anexo 12
(Esquema dimensional y funcional).
71
Anexo 13
(Presión dinámica en función de su velocidad).
Anexo 14
(Coeficiente “n” de pérdida de cargas en Campanas de Captación).
72
Anexo 15
(Pérdida de conductos por rozamiento del aire en conductos circulares rectilíneos).
73
Anexo 16
(Coeficiente “n” de Pérdidas de cargas en codos).
74
Anexo 17
(Coeficientes “n” de pérdidas en uniones).
75
Anexo 18
(Diámetro equivalente de un conducto rectangular con igual pérdida de carga).
76
Anexo 19
(Coeficientes “n” de pérdidas en Cambios graduales de sección).
77
Anexo 20
(Factores para las relaciones de aire-tela en filtros Jet Pulse).
78
Anexo 21
(Catálogo CM Ventiladores Centrífugos Soler &Palau).
Anexo 22
(Rotor o Rodete).
79
Anexo 23
(Curva Característica del Ventilador Centrífugo CM 500 (Soler &Palau)).
80
Anexo 24
(Dimensiones Generales del Ventilador seleccionado - Soler & Palau).
81
Anexo 25
Cuarto de Granallado Nº 01 (Empresa PROMETAL)
82
Anexo 26
Componentes del Sistema de Granallado Nº 02 (Empresa PROMETAL).
83
Anexo 27
(Esquema General del Sistema de Extracción de Polvo modelado en SolidWorks 2010).
84
Anexo 28
Detalle Base Soporte Ventilador Industrial (Existente).
85
Anexo 29
Detalle Escalera Gato (Existente)
86
Anexo 30
(Detalle Ventilador Centrífugo).
87
Anexo 31
(Detalle Ciclón Industrial).
.
88
Anexo 32
(Detalle Colector de Polvo).
89
Anexo 33
(Detalle Sistema de Ductos Tramo A).
90
Anexo 34
(Detalle Sistema de Ductos Tramo B).
91
Anexo 35
(Detalle Campana Extractora).
