UNIVERSIDAD NACIONAL DE SAN AGUSTIN Ingeniera mecnicaPgina 1 INTRODUCCION: Enlaactualidadelclculoodiseodeunventiladorsereducebsicamenteenunaseleccindel tipodeventiladorqueofreceunaempresadeterminada,puestoquehoyendalasempresasdan todalafacilidad al compranteparapoder seleccionar suproducto deacuerdo alasnecesidadesde trabajo, pero existen ocasiones en los que los productos o ventiladores de las empresas no satisfacen las necesidades de trabajo ya que las empresas solo se dedican a fabricar ventiladores de mayor uso enlaindustria,entoncesparasatisfacerlasexigenciasdealgunostrabajosquenecesitan ventiladores que no se encuentran en catlogos se tiene que disear uno de acuerdo a los parmetros que se pide. En este caso se va a disear un ventilador para el quemador de una caldera industrial, en el cual se parte de datos muy simples de la caldera tales como su potencia, dimensiones y eficiencia, entonces para su desarrollo se har uso de conocimientos amplios en combustin, para el caso de la relacin aire combustible en el quemador y clculos de diseo de ventilador. Laestabilidadoperativadelacalderadependefundamentalmentedeltrabajodelquemador principal y su capacidad para optimizar el proceso de combustin. Todo ello favorece a los fabricantes y usuarios de la tecnologa Entonces el punto principal para disear el ventilador es el caudal necesario de aire que tendr que ingresar el ventilador para tener una buena combustin. OBJETIVO Disearunventiladordeunquemadordeunacalderapirotubularqueingreselacantidaddeaire necesario para obtener una buena combustin. UNIVERSIDAD NACIONAL DE SAN AGUSTIN Ingeniera mecnicaPgina 2 Diseo de un ventilador centrifugo para un quemador de caldero La caldera a tratar es una caldera piro tubularde tres pasos con las siguientes especificaciones tcnicas. UNIVERSIDAD NACIONAL DE SAN AGUSTIN Ingeniera mecnicaPgina 3 1.- CAPACIDAD 50 BHP 1673750 BTU/h neto 1969117BTU/h 496249kcal/h 2.- CARACTERSTICAS SUPERFICIE DE 250 ft CALENTAMIENTO23,23m SALIDA DE VAPOR calculada ( a212 F y 14,7 psi) 780,00 Kg/h SALIDA DE VAPOR real ( a 212F y 14,7 psi) 727,27Kg/h CONSUMO DE FUEL OIL (No 2) 14,17GPH PESO NETO DE CALDERA 7905,37lb PESO NETO DE CALDERA CON NIVEL NORMAL DE AGUA12700,74 lb CONTENIDO DE AGUA A NIVEL NORMAL166 UNIVERSIDAD NACIONAL DE SAN AGUSTIN Ingeniera mecnicaPgina 4 3.- DIMENSIONES GENERALES CAPACIDAD A. Dimetro caldera 1,53m B. Longitud de la caldera 3,15m C. Ancho de la caldera1,91m D. Altura de la caldera 2.01m E. Dimetro vlvula de venteo0,0254m F. longitud zona de presin2,6m G. Ancho base1,05 m H. Longitud base3,3 m I. Dimetro OD del quemador 0,56 m J. Dimetro inspeccin de hombre0,46m K. Dimetro OD chimenea0,28m S. Distancia conexin de vapor1,24m Q. Conexin salida de vapor0,04m O. Conexin alimentacin de agua0,0254m P. Conexin venteo0,019m R Conexin vlvulas de seguridad0,0254m UNIVERSIDAD NACIONAL DE SAN AGUSTIN Ingeniera mecnicaPgina 5 PARAMETROS NECESARIOS PARA EL DISEO DEL VENTILADOR CALCULO DE LA RELACIN AIRE-COMBUSTIBLE PARA COMBUSTIBLE DIESEL Paramodelarqumicamentelareaccindecombustin,loscombustiblessesimplificancomosi fuesen un solo hidrocarburo, aunque en la realidad estos son mezclas complejas de hidrocarburos e impurezas, que dependen de la fuente de petrleo crudo y de la refinera. Para simplificar el estudio de la reaccin qumica de la combustin, en la prctica los combustibles hidrocarburos se modelan as: CxHy, en este proyecto se adopta esta aproximacin y por lo tanto el diesel se considera como C16H34. Anlisis de combustin para una relacin de aire-combustible terico. Enlaecuacinestequiometrica,seconsideraunacombustincompletapuestolarelacinaire combustible es ideal entonces tendremos: C16H34 + 24.5 (O2 + 3.76N2) 16CO2 + 17H2O + 92.12N2 Para el clculo real de la relacin aire combustible obedece a la siguiente frmula:

Donde:

: numero de moles del aire

: numero de moles del combustible

: Masa molar del aire

: Masa molar del combustible

Entonces:

Para el desarrollo de de la relacin aire combustible real en las calderas se utiliza con un exceso de aire para el caso se tomara un exceso de aire del 10%. De esta manera para un proceso de combustin completa de diesel, con exceso de aire y en una base de aire seco la ecuacin de reaccin qumica es: C16H34 + (24.51.1) (O2 + 3.76N2) 16CO2 + 17H2O + 2.45O2 + 101.332N2 C16H34 + 26.95 (O2 + 3.76N2) 16CO2 + 17H2O + 2.45O2 + 101.332N2 Entonces la relacin aire combustible estar dado por:

UNIVERSIDAD NACIONAL DE SAN AGUSTIN Ingeniera mecnicaPgina 6 Sabiendo que la densidad del combustible es de 860 Kg/m3 y la densidad del aire a una temperatura 273K es 1.2167Kg/m3, podemos hacer la conversin de la relacin aire combustible en funcin de volmenes.

Calculo del consumo de combustible en el quemador o generador El consumo de combustible en un generador viene dado por la siguiente relacin:

Donde: G: caudal de combustible Nu: potencia del generador PCI: poder calorfico inferior del combustible

: Eficiencia del generador Entonces, hallando todos los dems valores para el clculo del consumo de combustible. -Deacuerdoaloscatlogosyrecomendaciones,lapotenciadelgeneradoresmayoren8-10% de la potencia de la caldera, para el clculo de la potencia del generador asumiremos un exceso de 8%, entonces: Delosdatosqueseparteparadisearelventiladordelquemadorenunacaldera,esla potencia del caldero 577KW

-El PCI del combustible (diesel) es 10592Kcal/Kg y la eficiencia del generador un 92% Luego de obtener los datos necesarios para el clculo del gasto de combustible, operamos:

(

)

UNIVERSIDAD NACIONAL DE SAN AGUSTIN Ingeniera mecnicaPgina 7 Haciendo las respectivas conversiones de unidades obtendremos: G= 16.94 gal/h Calculo de flujo de aire necesario para la combustin Para el clculo del flujo de aire necesario en la combustin se har uso de la relacin aire-combustible real obtenido anteriormente, y entonces obtendremos al caudal de aire.

Despus de hacer las conversiones respectivas obtenemos:

Prdidas de carga para gases UNIVERSIDAD NACIONAL DE SAN AGUSTIN Ingeniera mecnicaPgina 8 La densidad de los gases y de los vapores vara considerablemente con la presin. Por tanto, la disminucin de presin en una tubera debida a las prdidas de carga har que la densidad y, por conservacin de la masa, la velocidad del gas, cambien de manera significativa. En el resto de los casos, es necesario utilizar una frmula emprica. Existen diversas aproximaciones. Se recomienda utilizar la siguiente: donde w= gasto msico (kg/s), D= dimetro interior (m), A=seccin tubera (m2), volumen especfico del gas en la seccin 1 (m3/kg),f=coeficiente de friccin (suponer constante en toda la tubera), L=longitud tubera (m) y P= presiones absolutas (Pa). CONSIDERANDO PARA UNA TUBERIA Flujo masico =Gaire+ Gcombustible Flujo masico=(745.36+0.0640332) m3/h =745.4240332 m3/s Flujo masico por cada tuberia= 0.005050m3/s Area de seccin del tubo = 0.0007068 m2 Velocidad = Flujo masico por cada tubera/ area =7.1447 m/s

UNIVERSIDAD NACIONAL DE SAN AGUSTIN Ingeniera mecnicaPgina 9 Pal aire ya que el 99.54 % es aire

Flujo laminar f (Re,D) haciendo moody y tanta vaina sale Donde f en nuestra tuberaes de 0.01 La= 6 metros por ser de tres pasos Le equivalente por los 2 codos de 180 grados segn el nomograma UNIVERSIDAD NACIONAL DE SAN AGUSTIN Ingeniera mecnicaPgina 10 Lepara 2codos de 180 = 3m*2 =6 L quemador =3 L De codos=2 UNIVERSIDAD NACIONAL DE SAN AGUSTIN Ingeniera mecnicaPgina 11 L total=11metros D =0.03m V=7.14m/s

Perdidas totales en las 41 tuberias

UNIVERSIDAD NACIONAL DE SAN AGUSTIN Ingeniera mecnicaPgina 12 CLCULO DE LAS CHIMENEASSe van a calcular las chimeneas siguiendo las ITE 2.14 y 3.11 del RITE, que remiten a la norma UNE 123.001. Estos son los datos de partida: Combustible: gasleo Potencia del generador: 624 kWRendimiento del generador: 92 %El hogar de la caldera est en sobrepresin, por lo que la presin de los humos a lasalida de la misma es cero.Tramo 1 tiene una longitud efectiva de 6m Tramo 2 altura de la chimenea: 28 m -Excesodeaireenlacombustin:sabemosporexperienciaquelacalderayelquemador empleados trabajan con excesos de aire en el entorno del 5 %al 20% como mximo, incluso menos; se tomar 10% como valor para el clculo. -Temperatura del aire de entrada al quemador: 40 C-Temperaturamediadeloshumosenlachimenea:200C(conunachimeneaaislada discurriendo por el interior del edificio las prdidas son casi despreciables; en este caso, se sabe que del generador salen los humos a 205 C, as que tomamos 200 como valor medio en todo el recorrido de la chimenea) UNIVERSIDAD NACIONAL DE SAN AGUSTIN Ingeniera mecnicaPgina 13 Caudal msico de los productos de la combustin El caudal msico de los productos de la combustin podr calcularse, con muy buenaaproximacin, mediante la siguiente expresin: Donde: -m: es el caudal msico, expresado en kg/s -PF:eselPoderFumgero(cantidaddegasesresultantedelacombustinconaire estequiomtricodeunaunidaddemasaovolumendecombustible,referidaalas condicionesnormalizadas),medidoenNm/kgoNm/Nm,segnsetratedecombustible lquido o slido o bien gaseoso, respectivamente. -PC:eselPoderComburvero(cantidadestequiomtricadeaireseconecesarioparala combustincompletadeunaunidaddemasaovolumendecombustible,referidaalas condicionesnormalizadas),medidoenNm/kgoNm/Nm,segnsetratedecombustible lquido o slido o bien gaseoso, respectivamente;-n: es el rendimiento total del generador, referido al PCI del combustible(adimensional);-PCI:eselPoderCalorficoInferiordelcombustible,medidoenkJ/kgokJ/Nmsegnsetrate de combustible lquido o slido o bien gaseoso, respectivamente -Pes la potencia trmica til del generador, expresada en kW;-ees el exceso de aire Para el gasleo: PCS: 43.100 KJ/Nm3; PCI: 42.300 KJ/Nm3; PC: 11.5; PF: 12,3. Sustituyendo:

Caudal volumtrico de los productos de combustin Para hallar el caudal volumtrico de los productos de la combustin, en m/s, se dividir el caudal msico, por la densidad media de los humos, oportunamente corregida por temperatura y altitud: UNIVERSIDAD NACIONAL DE SAN AGUSTIN Ingeniera mecnicaPgina 14 Donde la densidad media de los humos, en kg/m, es: Donde: A: es la altitud sobre el nivel del mar, expresada en m; (para Arequipa A=2300m) R: es la constante de elasticidad de los humos, expresada en J/(kg K);

La constante de elasticidad de los humos, definida como relacin entre la constante universal de los gases y el peso medio ponderal molecular del gas, es para el gasleo 290 J/(kg K). T es la temperatura media de los humos, en K. Sustituyendo:

Y el caudal volumtrico de los productos de la combustin ser:

Cada de presin por resistencia al movimiento de los humos en las chimeneas Expresada en Pa (N/m), se calcula con la siguiente ecuacin: En la que el primer sumatorio se refiere a los diferentes tramos de la chimenea.En la ecuacin anterior los diferentes parmetros que entran en juego tienen elSiguiente significado: - es la densidad media de los humos (kg/m) en el tramo considerado; -v es la velocidad media de los humos (m/s) en el tramo considerado, -f es el factor de friccin, que podr obtenerse, de forma exacta, de la ecuacin de Colebrook o, tambin,con suficiente precisin, medianteecuaciones aproximadas de solucin directa en funcin de la rugosidad de la superficie interior r (mm), del dimetro hidrulico D (m) y UNIVERSIDAD NACIONAL DE SAN AGUSTIN Ingeniera mecnicaPgina 15 delnmerodeReynoldsRe(adimensional).Unaexpresinmuysimple,vlidapara rugosidades (ficticias) entre 0,5 mm y 5 mm y nmeros de Reynolds entre 3000 y 1000000, es la siguiente: Del captulo C.7 de la norma UNE se toma como rugosidad media (ficticia)Para el acero inoxidable que se emplear el valor r = 0.75 mm. -L es la longitud del tramo considerado (m); -D es el dimetro hidrulico de la chimenea (m); - es la suma de los coeficientes de las prdidas de presin localizadas (adimensional), cuyos valores se toman del anexo C de la norma; -DPd es la variacin de presin dinmica desde la entrada a la salida de la chimenea que se halla mediante la expresin: -fses un factor de seguridad que es necesario considerar para tener en cuenta los siguientes factores: imperfecciones en la construccin de la chimenea (medidas transversales, rugosidad media, resistencia trmica y falta de estanquidad); efectos de condiciones atmosfricas adversas; anormalidades en el funcionamiento del generador de calor (exceso de aire superior al previsto y sobrecargas) . Las imperfecciones en la construccin se reducen al mnimo con el empleo de chimeneas prefabricadas, cuya calidad queda garantizada por el fabricanteEn este caso se toma el valor, recomendado por la norma para conducciones prefabricadas, de fs = 1,2. Tras diversos clculos de aproximacin, se resuelve la chimenea con un tramo 1 de 350 mm, y un tramo 2 vertical de 300 mm, ambos de dimetro interior. A continuacin se calculan las prdidas de presin, que debern ser inferiores al tiro natural de la chimenea - (la densidad media de los humos): 0.5348 kg/m -v (la velocidad media de los humos):

UNIVERSIDAD NACIONAL DE SAN AGUSTIN Ingeniera mecnicaPgina 16 Tramo1 de 350 mm de dimetro interior: 5.03m/s Tramo2 de 300 mm de dimetro interior: 6.846 m/s -f (el factor de friccin):

Tramo 1 de 350 mm de dimetro interior: f = 0.167 Tramo 2 de 300 mm de dimetro interior: f = 0,178 -L (la longitud del tramo considerado): Tramo 1 de 350 mm de dimetro interior: 6 m Tramo 2 de 300 mm de dimetro interior: 28 m - (la suma de los coeficientes de las prdidas de presin localizadas):

Tramo 1 de 350 mm de dimetro interior: 2 cambios de direccin a 30: = 0,2 x 2 = 0.4 1 reducciones a 45: = 0,4 x 1 = 0.4 Total: 0,8 Tramo 2 de 300 mm de dimetro interior: 28 m Boca de expulsion UNIVERSIDAD NACIONAL DE SAN AGUSTIN Ingeniera mecnicaPgina 17 (

)

-DPd (la variacin de presin dinmica desde la entrada a la salida de la chimenea):

Las prdidas de presin seran: {[

(

)

(

)] } El tiro trmico (o natural) provocado por la diferencia de densidad entre el gas en elinterior de la chimenea y el aire exterior est dado, en Pa, por la siguiente ecuacin: La magnitud H, que es la altura eficaz, representa la distancia vertical entre la salida de humos del generador (su eje, si la boca es vertical) y la boca de salida de la chimeneaey h son las densidades del aire exterior y de los humosg es la aceleracin de la gravedad: 9,81 m/s2 Sustituyendo:

Entonces:al ser menor el tiro natural que las perdidas los gases no podrn salir de la chimenea por tiro natural asi que se tendr darle una presin para la evacuacin de los gases, que ser:

UNIVERSIDAD NACIONAL DE SAN AGUSTIN Ingeniera mecnicaPgina 18 CLCULO Y DISEO DEL VENTILADOR Para el diseo del ventilador partimos de los datos anteriormente calculados y estos son: Caudal de aire: 745.42 m3/h, conversin (0.207m3/s) Presin: 4864.73 Pa Velocidad: 2850 rpm (298.45rad/s) Densidad del aire: 1.23Kg/m3 Coeficiente de rapidez (ny) Para saber a qu tipo de ventilador pertenece: Remplazando los datos: ny = 12.357 Donde: oQ es caudal expresado en m3/s o es velocidad expresado en rad/seg Ventilador radial de alta presin 10 ny 30 Ventilador radial con alabes hacia adelante ny = (30 60) Ventilador radial con alabes hacia atrsny = (50 80) Dimensiones del ventilador Dimetro de entrada de aire al ventilador Donde: k por recomendacin vara entre (1.35 1.9) De las operaciones: Do = 0.124m, pero para el clculo asumimos Do = 0.12m Dimetro exterior del ventilador Entonces remplazando D2 = 0.583m y asumimos para el clculo D2=0.5m Ancho del ventilador (b) 4 / 32 / 153pQnye=31 0 .eQk D D = =y nD D60. 0 2 =.40 DKb =UNIVERSIDAD NACIONAL DE SAN AGUSTIN Ingeniera mecnicaPgina 19 Para el diseo el factor k= (1.2-1.5) asumimos k=1.8 Entonces b= 0.054m Numero de alabes del rodete (Z) Z 5.13 Por razones de un buen balanceo en el ventilador el numero de alabes debe de ser mayor a 5 alabes y adems mltiplo de 8 para ello asumimos Z=16 alabes rea de entrada al ventilador (A) Remplazando A= 0.0113m2 Calculo de velocidades del ventilador En El Punto 1 -la velocidad tangencial esta dada por la siguiente formula Entonces reemplazando u1 =17.90707813 -la velocidad absoluta en la direccin del radio esta dada por la siguiente formula Reemplazando nos sale C0=18.30832092 -La velocidad relativa est dada por la siguiente formula 1 21 2.D DD Dz+=t420 t = DA60. . 11n Dut=21 00 .. 4DQc c rt= =) 90 cos( 111| =r cwUNIVERSIDAD NACIONAL DE SAN AGUSTIN Ingeniera mecnicaPgina 20 Reemplazando nos sale W1= 18.37825573 -Entonces la velocidad absoluta resultante es C1 =24.51647754m/s -el ngulo entre la velocidad tangencial y la absoluta es 1= 48.3118852 C1u= 16.3053076 En El Punto 2 u 2=74.61282552 c2u =73.01105499 W1=W2 18.37825573 C2r= 18.30832092 1 1 12121 1 cos . . . 2 | e e u u c + =).(11 11csenarcsen| eo =o60. . 22n Dut=) 180 cos( . 2 2 2 2 | e + = u cu) 180 ( . 2 2 2 | e = sen crUNIVERSIDAD NACIONAL DE SAN AGUSTIN Ingeniera mecnicaPgina 21 2 o =14.07727024 C2 =75.27156679 Considerando un numero finito de alabes (correccin de beta) 2 ' | =74.29820909 u c 2 ' =69.46597111 r c 2 ' =17.69243965 =71.683635262 ' c).(22 22csenarcsen| eo =2222 2 r u c c c + =)) ( arccos(cos '222 2zucku+ = | |) ' 180 ('222 2| + =tgcu cru) ' 180 ( . ' 2 2 2 | e = sen c rr u c c c 2 2 2 ' ' ' + =UNIVERSIDAD NACIONAL DE SAN AGUSTIN Ingeniera mecnicaPgina 22 2 ' o =14.28899068 Eficiencia hidraulica del rodete hr q =0.999922606 Densidade del aire = 1.23 Presin terica desarrollada por el rotor con un nmero finito de labes rt p =6016.018518 Hallando el rea de salida de la voluta la velocidad de salida de la voluta es aprox el 0.7 de c2 Q=53.04589009 F=0.003903455 )''arccos( '222cc u= o| |122 22221222) ' ' ( 180'. ' cos .cos21|| o|o| qsensensenDDhr |.|

\| =rh rt r p p q . =) ' ' ( 1 1 2 2 u u rt c u c u p = CaQF =UNIVERSIDAD NACIONAL DE SAN AGUSTIN Ingeniera mecnicaPgina 23 A=0.068648853 B= 0.07 A=0.055763639 Perdidas por la componente radial de la velocidad absoluta Perdida=192.5087888Pa perdidas por el componente de mezcla Perdida=165.8157224 perdidas por friccion Perdidas =519.158361 902 yn DA=BFA = '222rCP= A2) ' (22Ca CPu= A2) (2CaK P= AUNIVERSIDAD NACIONAL DE SAN AGUSTIN Ingeniera mecnicaPgina 24 Prdidas totales de la voluta Que es la suma de todas las prdidas anteriores 877.4828723 Pa Perdidas en el rotor que se asume de acuerdo a las especificaciones 219.3707181 Pa Perdidas del ventilador que son las suma de las perdidas de voluta mas las perdidas del rotor 1096.85359Pa Conclusin: Presin desarrollada por el ventilador 4919.164927 Pa como esta presin es mayor de la necesaria nuestros parmetros estn bien calculados."