Diseño De Un Sistema De Captación De Polvos Sobre...

Universidad Rafael Landívar Facultad de Ingeniería

Ingeniería Mecánica Industrial

"Diseño De Un Sistema De Captación De Polvos Sobre Una Mezcladora De

Masa En Una Industria De A1imento!t.=';~u.frj¡~8:~~shidratados"

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INGENIERO MEGAt{lCO IN.DUSTRIAL

En:;=;!~;;;ii~2f~~::"~e: LICENCIADO

Guatemala, Octubre del 2004.

Tradiciún Jcsui tJ \.'11 Guatc:ll1ala

Facultad de Ingeniería I'ch:llmo: (501 ) 179 7979 ex!. 2-t.t2

rax: (501 ) 279 2 .. 7.' Campus Central, Vis ta Hcnllosa 111, Zona 16

Guatemala, Ciudad. O 10 16 lae [email protected]

HOJA DE AUTORIDADES

Autoridades de la Universidad:

Rectora Vicerrectora General Vicerrector Administrativo Vicerrector Académico Secretario General Director Financiero Director Administrativo

Autoridades de la Facultad de Ingeniería

Decano Vicedecano Secretaría Director del Departamento de Ingeniería IndustIial Director del Departamento de Ingenieria Mecánica Director del Departamento de Ingenieria Civil Director del Departamento de Ingeniería en Informática Director del Departamento de Ingeniería Química Director de Maestria en Administración Industrial Representante de Catedráticos Representante Estudiantil

Licda. Guillermina Herrera Licda. Julia Guillermina Herrera Peña Arq. Carlos Haeussler Dr. René Eduardo Poitevin Dardón Lic. Luis Quan Mack Ing. José Carlos Ricardo Vela Schippers Ing. Otto Vinicio Cruz Porras

Ing. Edwin Felipe Escobar Hill Ing. Herbert Amlando Smith Brolo

Ingra. Yara Argueta Ing. Alejandro Basterrechea Ing. José Carlos Gil Rodriguez Ing. Jorge Arturo Rivera Pérezgil Ing. Ramiro Muralles Araujo Ing. Lionel Pineda López Ing. Mario Sosa Br. Julio Barrios

Facultad de Ingenieria T<:Iéltll1o: (502) 279 7979 cx!. 24-12

Fax : (502) 279 2473 .

Tradición Jesuita en Guatemala

Campus Ccntral , Vista Hcnnosa 111, Zona 16 Guatemala, Ciudad. 01016

fae [email protected] .gt

DE:

FECHA.:

NOTIFICACIÓN

Señor FRANOSCO ES1UARDO QUINTANA REYNOSA Estudiante

Ingeniero Herbert Smith Vice Decano Facultad Ingeniería

Guatemala, 16 de agosto de 2004

Reg. FI 4808-04

De acuerdo a la solicitud presentada de APROBAOÓN DE ANTEPROYECTO DEL TRABAJO DE TESIS SIGUIENTE: "DISEÑO DE UN SISTEMA DE CAPTACIÓN DE POLVOS SOBRE MEZCLADORES EN UNA INDUSTRIA DE ALIMENTOS CULINARIOS DESHIDRATADOS". Para su conocimiento y efectos correspondientes notifico a usted que la Facultad de Ingeniería, a través de su Director de Carrera resolvió: ACCEDER, a la solicitud presentada, por el Estudiante FRANOSCO ESTUARDO QUINTANA REYNOSA (Carné No. 11603-97), de la Carrera de: INGENIERÍA MECÁNICA INDUSTRIAL.

Atentamente,

c.e. Archivo Expediente

Tradición Je~uita ell Guatemala

Facultad de Ingenieria Tcléltlllo : (502) 2797979 cx\. 24-t2

Fax: (502) 279 2473 Campus Ccntral, Vista Hcnnosa 111, Zona 16

Guatemala, Ciudad. 01016 rae _ [email protected] .gt

DE:

FEG-IA:

NOTIFICACIÓN

Señor FRANOSCO ESTUARDO QUINfANA REYNOSA Estudiante

Ingeniero Hemert Smith Vice Decano Facultad Ingeniería

Guatemala, 16 de agosto de 2004

Reg. FI 4808-04

De acuerdo a la solicitud presentada de APROBAOÓN DE ANfEPROYECTO DEL TRABAJO DE TESIS SIGUIENTE: "DISEÑO DE UN SISTEMA DE CAPTACIÓN DE POLVOS SOBRE MEZCLADORES EN UNA INDUSTRIA DE ALIMENTOS CULINARIOS DESHIDRATADOS". Para su conocimiento y efectos correspondientes notifico a usted que la Facultad de Ingeniería, a través de su Director de Carrera resolvió: ACCEDER, a la solicitud presentada, por el Estudiante FRANOSCO ESTIJARDO QUINfANA REYNOSA (Carné No. 11603-97), de la Carrera de: INGENIERÍA :MECÁNICA INDUSTRIAL.

Atentamente,

e.e. Archivo Expediente

Dedicatoria

A Dios Padre Todo amor, fuente de toda sabiduria y humildad.

A mis padres, Carlos Quintana

Por sembrar esa curiosidad e incentivo hacia las maravillas de la vida. Por ser un guía y ejemplo de vida.

Silvia Reynosa de Quintana Por brindarme su apoyo, amor y buenos deseos en el transcurso de mi vida.

A mis Hermanas, Silvia Quintana

Por ser testimonio de vida de las maravillas que nuestro Señor ofrece en la tierra. La voluntad de seguir adelante, sin claudicar.

Maria Esther Por el cuidado e interés brindado hacia la familia, por ser pilar y soporte de la misma y velar por el bienestar común.

A mi Hermano, Juan Carlos

Por ser testimonio de vida de las maravillas que Dios nos presenta. Por ser el salvador y complemento de la familia.

A mis Sobrinos, Maria José, Carlos Santiago, Mariana, Sergio Andrés y José Miguel, Por dar su alegría a nuestro días tan cotidianos

A mis AbueUtos, Epaminondas Quintana (+), por enseñar que de poco se puede mucho. Esther de Quintana (+), por su devoción y enseñanza hacia la virgen Maria. Humberto Reynosa, por el buen humor y gozo hacia la vida. Zoila De Reynosa, por su amor e interés hacia todos sus nietos.

A mi familia, Aldana Reynosa, López-Selva Quintana, Reynosa Cervantes, Guido Quintana, Martínez Reynosa, Castellanos Reynosa, Avendaño Quintana, Ceballos Reynosa, que han sido parte de mi vida en lo bueno y 10 malo.

A mis amigos y amigas, Los del B-2, Campo Real, Suger Montano, U.R.L, los del arco, ECOCASA y E 112 que me han acompañado en las travesuras y aventuras de la vida, animando y mejorando las circunstancias de la . mIsma.

Agradecimientos

A mi patria Guatemala

Por demostrarme que con poco se logra mucho y se puede ser mejor.

A mis padres, Carlos Enrique Quintana

Por despertar en mí, las curiosidades e intrigas que representa la ingeniería, en beneficio de Guatemala.

SUvla Reynosa de Quintana

Por su apoyo y buenos deseos en todo el trayecto de mI vida académica.

A mis padrinos, Roberto Castellanos y Maria Eugenia de Castellanos

Por preocuparse de mi desenvolvimiento académico desde los primeros años de la primaria. Por su apoyo incondicional.

A miAsesor, Ingeniero Marco Jo

Por su tiempo, consejos e interés en el proyecto. Además de ser un buen compañero y ejemplo dentro de la facultad de ingeniería.

A la facultad de Ingenieria de la Universidad Rafael Landívar,

Especialmente a los ingenieros Lionel Pineda, Jorge Nadalini, Alejandro Basterrechea y Edwin Escobar por lograr sembrar esa semi11a de bien en pro de Guatemala.

Al Ingeniero Pedro Fuentes,

Por confiar en mis proyectos y dar oportunidades a los nuevos colegiados y estudiantes de ingeniería.

A mis amigos,

David Bonilla, Luis Palma, Ronald Cabrera, Bmyan Pérez, Jorge Santos, Abascal, Andreas Baudrexel, Edgar Barrientos, Dennis, PIE, UNE, DELTA, AEI, Proyect, Cueromotor, por ayudarme y motivarme a finalizar la carrera de ingeniería Mecánica Industrial.

Resumen Ejecutivo

"Diseño De Un Sistema De Captación De Polvos Sobre Una Mezcladora De Masa En Una Industria De Alimentos Culinarios Deshidratados"

Este trabajo presenta un procedimiento sencillo de como determinar las especificaciones técnicas para una campana de extracción, diseño de la red de ductería y selección de equipo para una mezcladora de masa en la industria alimenticia; mostrando en cada aspecto, las características fundamentales.

Marco Uno [J Introducción o Aspectos básicos del control ambiental. [J ' Ventilación industrial y la importancia del ruido. [J Clases de ventilación y técnicas de extracción, así como

dimensionamiento y consideraciones en las campanas de extracción y sistemas de ducterías.

Marco Dos [J Planteamiento del Problema: ¿Es factible mejorar el ambiente de la

empresa para lograr las condiciones adecuadas de trabajo? [J Definición de objetivos, variables, alcances, límites y aportes de este

trabajo.

Marco Tres o Defmición de la empresa industrial y área de proceso como sujetos

de investigación. o Instrumentos empleados y procedimiento en el desarrollo del

trabajo.

Marco Cuatro [J Presentación de datos e información importante que serán utilizados

en los cálculos hechos. [J Dimensionamiento de la campana de extracción y método empleado

para determinar el caudal necesario. [J Pérdidas de presión y dimensionamiento de ductería, selección de

equipo y diseño del mecanismo de soporte.

Marco Cinco [J Conclusiones obtenidas,

pertinentes. [J Referencias Bibliográficas,

contiene tablas empeladas.

recomendaciones importantes y

además de anexos y apéndices que

Disefto De Un Sistema De Captación De Polvos Sobre Una Mezcladora De Masa En Una Industria De Alimentos Culinarios Deshidratados

ÍNDICE

1. Introducción 1

2.

3.

1.1 Introducción 1 1.2 Lo escrito sobre el tema en Guatemala 2 1.3 Marco Teórico 2

1.3.1 Aspectos básicos del Control Ambiental 3 1.3.1.1 Ventilación Industrial 3

1.3.2 Ruido 5 1.3.3 Clases de Ventilación 6

1.3.3.1 Ventilación Natural 7 1.3.3.2 Ventilación Artificial (forzada) 8

1.3.4 Técnicas de Extracción. 9 1.3.5 Ventiladores 9

1.3.5.1 Tipos de Ventiladores_ 9 1.3.5.2 Selección de Ventiladores 10

1.3.6 Diseño de Campana de Extracción. 12 1.3.6.1 Principio del elemento de captación. 12 1.3.6.2 Procedimiento de diseño de campana 15

1.3.7 Velocidad de Captura 15 1.3.8 Velocidad mínima de diseño en ductería. 17 1.3.9. Dimensionamiento de los sistemas de ductería 19

1.3.9.1. Pérdidas por fricción en flujo de aire a través de conductos 19 1.3.9.2. Relación de Aspecto 19 1.3.9.3. Pérdidas de presión en conexiones de conductos 22 1.3.9.4. Pérdidas de presión en la entrada y salida de ventiladores 22 1.3.9.5. Pérdidas de Presión en sistemas de conductos_ 22

Planteamiento del Problema 24 2.1 Objetivos 25

2.1.1 General 25 2. 1.2 Específicos 25

2.2 Variables 25 2.3 Definición de Variables 27 2.4 Alcances y Limites 27 2.5 Aportes 28

Método 29 3.1 Sujetos 29 3.2 Instrumentos 30 3.3 Procedimiento 31

Diseño De Un Sistema De Captación De Polvos Sobre Una Mezcladora De Masa En Una Industria De Alimentos Culinarios Deshidratados

4. Resultados 32 4.1 Datos e Información Importante 32 4.2 Dimensionamiento de una Campana de Extracción 33 4.3 Caudal necesario para desplazar el volumen requerido_34 4.4 Pérdidas de presión y Dimensionamiento de ductería _ 37

4.4.1 Presión estática de la campana 37 4.4.2 Presión estática en el conducto 37

4.5 Selección de Equipo 38 4.6 Diseño del mecanismo de soporte 39

5. Discusión ______________________ 41 5.1 Conclusiones 41 5.2 Recomendaciones 42

Referencias Bibliográficas ________________ 43

Anexos 44 Anexo 1. ASHRAE, AMCA 44 Anexo 2. Glosario 46

Apéndice 48 Apéndice l. Plano del recinto original 48 Apéndice 2. Diseño del sistema de captación de polvos 50 Apéndice 3. Gráficas y tablas de Ventiladores 52 Apéndice 4. Tablas de coeficientes de pérdidas en conexiones y transiciones 53 Apendice 5. Coeficientes de pérdidas en la entrada y salida del ventilador 57 Apéndice 6. Guía de Instalación en la entrada o salida del ventilador 58 Apéndice 7. Tabla C 59 Apéndice 8. Filtros de bolsa 60


MARCO 1: INI'RODUCCIÓN.

INTRODUCCIÓN

Las empresas tienen problemas para mantener su ambiente en condiciones óptimas, con el fin de lograr una manufactura o producción continua, sin detenciones o contratiempos a causa del ambiente en que se maneja el área de producción o en sí la industria en general. Por lo cual se aplica el uso de acondicionadores de aire o sistemas de ventilación tanto naturales como artificiales para mantener condiciones requeridas o deseadas en recintos determinados.

Existen distintos medios para controlar ambientes específicos, desde un equipo acondicionador de aire (puede ser aire acondicionado o calefacción), con la cual se toman en cuenta factores como temperatura, humedad, velocidad de aire, etc. De forma más general y utilizando el ambiente que rodea al recinto en cuestión, existe la ventilación industrial que desaloja cantidades de aire circunvecino de una área de trabajo y lo renueva con aire fresco, y es de gran aplicación para grandes volúmenes de aire como son naves o bodegas centrales.

La industria de alimentos culinarios deshidratados tiene problemas con mantener en condiciones adecuadas los requisitos estipulados (en el área de proceso), sobre todo en el área de mezclado de materias primas. En ésta es donde se involucran polvos de distintos tipos y esencias. Ya que se trabaja con polvos alimenticios, se tiene la incomodidad que en el momento de llenado (por gravedad) se levanta una gran cantidad de polvo en el ambiente que se dispersa por toda la nave central hacia el mismo recinto y al nivel inferior, afectando tanto a los operarios directos como al personal de transporte del nivel inferior, ya que se comunican en un área común de 3,200 metros cúbicos.

El polvo ocasiona, en su mayoria, tiempo de limpieza de los operarios antes y después del proceso, ya que debe quedar en condiciones de limpieza establecidas por normas de seguridad e internas de la empresa, sin menospreciar las enfermedades bronco-pulmonares que sufren los operarios por las que se ausentan hasta tres días por diagnostico médico.

Por estas razones se acordó un estudio con la empresa para realizar este trabajo de tesis que presenta y expone cómo determinar las especificaciones técnicas de un sistema de reacondicionamiento que mejore el ambiente de trabajo, para poder llenar requisitos faltantes de la empresa, y beneficios tanto en costos como personal.

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Diseño De Un Sistema De Captación De Polvos Sobre Una Mezcladora De Masa En Una Industria De Alimentos Culinarios Deshidratados ¡¡¡r,:,

1.2 De 10 escrito en Guatemala

En el país existen trabajos acerca de las especificaciones técnicas de sistemas de ventilación industrial, así como de un diseño adecuado para campanas de extracción o solamente elementos succionadores, como lo pueden ser difusores o ranuras de captación; algunos hacen mayor referencia en el diseño basándose en tablas comúnmente usadas en el ámbito ingenieril para las velocidades de captura, flujos establecidos, etc. También en Guatemala, existen folletos publicados por los fabricantes. Entre algunos de los trabajos que se han realizado, están los siguientes:

• Cabarrus (1998) escribió la tesis "PROGRAMA DE ELIMINACIÓN DEL POLVO AMBIENTAL EN UNA INDUSTRIA DE PISOS DE GRANITO". Su objetivo era reducir el porcentaje de paros de las máquinas evitando el polvo en las mismas, también aumentar la eficiencia de productividad al eliminar el polvo indeseado y mejorar las condiciones de trabajo para los operarios. Se basó en una empresa que fabrica pisos de granito con una capacidad total de 2,500 metros de piso diarios y con un total de 70 empleados. Se contaba con una eficiencia del 72<'/0 (esta eficiencia real se calculó mediante un promedio de producciones acumuladas diarias durante una semana), según la capacidad de sus máquinas; el horario de trabajo es de lunes a viernes de 7:00 AM. a 6:00 PM. El diagnóstico preliminar se realizó en el mes de septiembre de 1996, posteriormente se desarrolló posibles alternativas para solucionar el problema de los polvos del ambiente. Llegó a la conclusión que el método o medio más eficiente para eliminar el polvo era el sistema de extracción forzada basándose en extractores, conductos, filtros y campanas de captación aunque éste resulto ser él más caro. El económico eran cortinas para aislar los procesos y evitar el ingreso de polvos a los lugares no deseados pero funcionaban en un porcentaje mucho menor, mediante el método de extracción se aumentaría la eficacia de la planta en un 180/0.

• Gómez (1991) realizó el trabajo de tesis "SISTEMAS DE EVACUACIÓN Y VENTILACION PARA AMBIENTES CON ALTA CONCENTRACION DE POLVOS". En su investigación considera las especificaciones básicas a tomar en consideración para el diseño y elaboración de una campana de extracción en el área de producción de una empresa elaboradora de suelas y material de piso para zapatos de la mejor calidad, DERIVADOS DE HULE S.A.: DEHUSA. El trabajo se basa en tres puntos: uno, la selección del mejor equipo en maquinaria para la buena extracción; dos, 10 relacionado con la ventilación en general; y tres, el dar información de los accesorios

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diversos para la seguridad industrial del operador y sus consecuencias de no tomarlas en cuenta.

• paz (1988) en su trabajo de tesis "Extracción e inyección de aire en una Industria Farmacéutica de áreas asépticas", brinda información para la construcción de ductería destinada a la transportación de aire tanto para inyección como para extracción. Así mismo la importancia de los filtros con especificaciones adecuadas según la industria. De la misma fonnar un sistema de costos de una propuesta recomendada y la importancia de regla básica de suministrar aire fresco y desalojar aire viciado dentro de un recinto.

1.3 Marco Teórico

1.3.1 Aspectos básicos del Control AmbientaL

1.3.1.1. Ventilación Industrial

En Gómez (1991) se encuentra que cualquier actividad humana aporta al medio ambiente una cantidad de impurezas que vienen a alterar las proporciones químicas y físicas del aire y, por ende, la actividad atmosférica como lluvias, polvos, actividad eléctrica, etc. Son responsables también de un cambio o modificación sustancial en el grado de pureza del aire, que se combinan con la actividad química- biológico presente en la superficie de la tierra.

La ventilación influye sobre el control del ambiente para la protección de riesgos físicos. El aire seco, y además puro en su estado natural, es una mezcla de gases fundamentalmente constituidos por 780/0 de nitrógeno, 21 % de oxígeno y 10/0 de bióxido de carbono, con una proporción pequeña de otros gases como el argón, neón, helio, metano, bióxido de azufre, hidrógeno y otros de menor cantidad.

Las impurezas el aire se puede dividir en dos grupos: • Impureza química: Incluye gases o vapores cuya presencia altera la

composición química del aire desplazado en mayor o menor proporción los gases que se encuentran contenidos naturalmente.

• Impureza mecánica: Corresponde a partículas sólidas en suspensión que incluye polvos

VAPOR: Todo gas que se acerca a este estado ideal a medida que su temperatura crece y su presión disminuye, esto es, a medida que se recalienta o se aleja de aquel estado en el cual puede condensarse convirtiéndose en líquido.

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Diseño De Un Sistema De Captación De Polvos Sobre Una Mezcladora De Masa En Una !.~' .~ Industria De Alimentos Culinarios Deshidratados ~¡¡¡!f;

Los humos son partículas sostenidas por un gas, de un tamaño generalmente menor que 0.5 f.lm, resultado de la combustión incompleta de materiales como madera, carbón y petróleo.

Neblinas y plumas: termino aplicado a las dispersiones de partículas líquidas, de 0.1 a 2.5 f.lIll, estas son de baja concentración, aunque las partículas son de gran tamaño.

La impureza mecánica incluye los polvos. Los polvos son partículas esencialmente mayores que las coloidales y que son capaces de formar, temporalmente, una suspensión gaseosa. Los polvos no tienen tendencia a flocular excepto bajo la acción de fuerzas electrostáticas, no se difunden, pero se asientan por la influencia de la gravedad. Los polvos son resultado de operaciones como molienda, aplastamiento, perforaciones, pulverizaciones, tamizado y explosiones.

La falta de ventilación adecuada produce fatiga y reduce la atención de los trabajadores, produciendo mayor propensión a los accidentes. En sitios donde hay polvos perjudiciales o vapores nocivos, es necesario instalar sistemas locales para eliminarlos.

Todas las impurezas y demás existen en la atmósfera, puede ser causantes de enfermedades como la silicosis, asbestosis y otras. Las operaciones deben permanecer en ambiente de trabajo sano, limpio, con la cantidad requerida necesaria de oxigenación que se suministra por el aire. Cualquier recinto debe tener un sistema, natural y/o artificial, de circulación de aire. Un ambiente saturado aumenta la temperatura y humedad.

La temperatura y humedad son parámetros importantes en el ambiente de trabajo y/o estancia de cualquier ser viviente. En lo que se refiere al cuerpo humano el balance de calor es un requerimiento fisiológico necesario para la comodidad y la salud del individuo.

El cuerpo humano, como cualquier otro cuerpo físico, está regido por las leyes físicas y se le pueden aplicar las leyes del intercambio de calor entre cuerpos sólidos, y entre estos y el medio ambiente. Intervienen varios factores, pero se tomaran en cuenta los fisiológicos. Cuando el organismo esta expuesto al calor intenso, sus sistemas reguladores entran en funcionamiento para equilibrar la temperatura del cuerpo y mantenerla a una constante de 370 C. Para mantener este equilibrio el cuerpo cuenta con tres factores: sudoración, convección y radiación.

• Sudoración: mediante el sudor el organismo reduce su carga calorífica, cuando este se evapora. Esta evaporación sólo se produce

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en fonna eficiente cuando la humedad relativa del aire está balanceada, pero cuando está saturado de agua no podrá recoger el sudor producido por el cuerpo y por lo tanto, correrá por la piel gastándose las energías que se usaron para producirlo. Debe mencionarse el efecto secundario del calor, en el cual las sales que salen del organismo junto con el sudor son restadas de los sistemas, y si éstas no se reponen, se produce el efecto de deshidratación, aumento de la temperatura, aceleración del ritmo del corazón, disminución de la presión arterial, etc., llegando hasta la postración o shock por el calor.

• Convección: Por medio de este sistema fisico de cambio de calor con el medio ambiente, el cuerpo obtiene un balance parcial de carga calorífica. Para que la convección sea eficiente se requiere que el aire que rodea al individuo sea más frío que el intercambio de calor de un cuerpo al aire que lo rodea. Si el air~ que rodea al cuerpo es mas caliente, éste se calentará o absorberá 'calor del aire; si el aire es más frío, el cuerpo se enfriará porque transmitirá parte de su calor al . aIre.

• Radiación: La radiación es el intercambio de calor entre dos cuerpos y se produce por el tránsito de ondas de energía radiante del cuerpo más caliente al cuerpo más frío, es decir, que si alrededor del individuo existen cuerpos más calientes, los rayos infrarrojos son el medio por los cuales se produce la radiación, viajan de estos cuerpos al individuo calentándolo y viceversa.

• Metabolismo: el cuerpo humano es capaz también de producir calor interno mediante el consumo de energías y se presenta principalmente en grados altos mientras trabajamos.

1.3.2. El Ruido

El ruido es un agente contaminante del ambiente, que consiste en la intensidad con que se emite este sonido y resulta molesto y dañino al oído del ser humano según Gomes (1991). El ruido está presente en los alrededores, (sea la localidad que sea) como callejones, casas, calles, fábricas, autobuses, en el trabajo, en los vehículos, centros deportivos, aparatos en general. Es dificil en muchas ocasiones medir exactamente su intensidad.

La magnitud del sonido se mide en la unidad llamada decibel (dB). En la industria el nivel pennisible de ruido tiene de límite los 68 dB como promedio en las diversas acciones y labores del medio.

La potencia del ruido es el nivel generado por una fuente de ruido. Sin embargo, al hombre le interesa el ruido que se genera y el que se recibe. A esto se le llama presión del ruido o del sonido. Además de la magnitud, el

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sonido también tiene frecuencia. La mayor parte del ruido que se genera tiene una variedad de frecuencias, El rango audible va desde unos 20 hasta unos 20,000 hz. (Ciclos por segundo). Es de gran interés (en especial) la frecuencia, porque el oído humano tiene menos sensibilidad a las bajas frecuencias (tonos bajos) que los sonidos más agudos. Esto es, un sonido más agudo con el mismo nivel de decibel que uno grave se percibe más intenso.

Según Gomes (1991), dentro de los problemas que ocasiona al ser humano el exponerse al ruido continuamente, se encuentran los siguientes:

1. Descenso del rendimiento en el trabajo. 2. Falta de coordinación en las ideas por agotamiento mental. 3. Pérdida de apetito, 4. Falta de sueño. 5. Daños serios al sistema nervioso. 6. Lesiones en el oído. 7. Pérdida paulatina del oído y del equilibrio. 8. Agresividad.

En conclusión, el ruido es el contaminante más peligroso para el ser humano, ya que los otros contaminantes usualmente se protegen de mejor forma. Entonces, el ruido debe ser reducido ya que sus efectos ocasionan gasto de energía en los centros de trabajo y en el propio organismo.

El desarrollo industrial, introduce el ruido como factor perturbador de la salud humana, por el desarrollo industrial, ya que su exceso produce el 20% de los accidentes laborales.

1.3.3. Clases de Ventilación

Según Gomes se encuentra que la renovación del aire dentro de un recinto se puede llevar a cabo por medio de dos métodos:

o Renovación Natural: La que no precisa de instalación alguna, ya que debido a su propio diseño y estructura permite una renovación gradual de aire fresco o nuevo. Esto se logra por medio de puertas y ventanas.

o Renovación Artificial y/o forzada: Se obtiene de dos tipos: o La renovación forzada estática: Es la que precisa de algún tipo

de instalación para crear unas corrientes de aire y poder evacuar los gases viciados, con el uso de chimeneas.

o La renovación forzada dinámica: Por medio de instalaciones de extracción y/o suministro para crear depresiones o sobrepresiones. De distintas formas ascendentes, descendentes, cruzada.

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Diseño De Un Sistema De Captación De Polvos Sobre Una Mezcladora De Masa En Una Industria De Alimentos Culinarios Deshidratados <[i;¡

1.3.3.1 Ventilación Natural

Reglas de Ventilación Natural

• Las áreas de paso del aire deben estar bien distribuidas en el edificio, debiendo ser localizadas las entradas 10 más bajo posible y las salidas lo más alto que se pueda.

• Cuando las áreas de entrada son sensiblemente iguales a las áreas de salidas, se obtiene el mayor rendimiento por metro cuadrado de ventana.

• Cuando la dirección del viento se considera constante, se deben aprovechar esta circunstancia en la orientación del edificio, de tal manera que el eje mayor quede perpendicular ala dirección del viento dominante. Si la dirección del viento es variable, entonces el diseño del edifico debe hacerse en tal forma que éste tenga las áreas de sus ventanas balanceadas en los cuatro laterales o costados, para que independientemente de la dirección del viento siempre tenga un flujo en el interior.

• Debe existir desnivel entre las ventanas, entiéndase diferencia de altura, para que exista tiro natural.

• Cuando se usan chimeneas de ventilación se deben colocar en forma simétrica con respecto al techo del edificio.

La ventilación natural de edificios industriales se mide por el número de veces que se cambia el volumen del aire por hora dentro del recinto, siendo este aire exclusivamente el destinado a ventilación. Este número de renovaciones de aire por hora está en función del número de personas que se encuentra en él, del tipo de maquinaria y de las operaciones del proceso, considerando la más critica la temporada de verano por las altas temperaturas.

El viento es el medio de ventilación natural, por lo tanto se deben tener en cuenta los siguientes factores:

1. Velocidad promedio del viento. 2. Dirección dominante. 3. Obstáculos cercanos tales como edificios, árboles, cajas, etc. 4. Tamaño de la ventana y su posición con respecto a la dirección del

viento. 5. Variaciones diarias y estaciónales de la velocidad y dirección

La cantidad de aire que entra a un recinto se puede medir a través de la siguiente formula:

Ql = C A V (Gomes, 1991) Formula 1

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Diseño De Un Sistema De Captación De Polvos Sobre Una Mezcladora De Masa En Una Industria De Alimentos-Culinarios Deshidratados

Donde Ql A V e

flujo de aire en ft3 / s área de paso de las ventanas en ft2 velocidad del viento en ft/s coeficiente de entrada de la ventana.

1.3.3.2. Ventilación Forzada y/o Artificial

En la mayoría de los casos en que el contaminante resulte de un proceso en partículas, los efectos de ventilación natural quedan cortos. Existen varios procesos industriales donde la presencia de partículas en suspensión puede deteriorar al producto en creación.

Es sabido que la renovación del aire que se encuentra en el mismo debe .. ser desalojada, lo que contempla la necesidad de ventilación.

Entre los factores determinantes de su evacuación están: • Polucionado con partículas de suspensión • Radio-activado • Mezcla con otros gases • Consumo de oxigeno • Suciedad en toda el área dentro del recinto

Para sanear este aire viciado existen varias técnicas, las cuales se especializan con mayor velocidad en el mercado, según sean sus requerimientos de salud y peligrosidad tóxica o técnica, para el bienestar del ser humano.

En la clasificación de ventilación forzada se puede hacer la siguiente clasificación (La elección de cado uno depende del grado de concentración):

1. Ventilación general: con este tipo de ventilación se hará entrar aire fresco para que la concentración descienda a límites que sean aceptables.

2. Extracción directa o localizada: Consiste en remplazar aire viciado antes de que se expanda por todo el recinto. En efecto, este tipo es la mejor solución desde el punto de vista de seguridad higiénica y de consumo de energía, como de mantenimiento.

Dentro de la ventilación forzada se puede clasificar, según Gomes (1991) en:

• Ascendente: Consiste en dirigir el aire de abajo hacia arriba aprovechando a que el aire caliente tiende a subir.

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Diseño De Un Sistema De Captación De Polvos Sobre Una Mezcladora De Masa En Una 'f. . Industria De Alimentos Culinarios Deshidratados í~4,

• Descendente: Consiste en obligar el flujo de arriba hacia abajo, por medio de una inyección superior y extracción en la parte inferior del recinto.

• Cruzada: Consiste en inyectar aire de un lado del recinto y extraerlo en el lado opuesto del mismo, obligando atravesar por todo el ancho o largo.

1.3.4. Técnicas de Extracción de aire

La elección de una u otra dependerá básicamente de las características del elemen to a evacuar, según Gomes (1991).

A. Técnica de extracción local o directa: Este método es por medio de una manguera o conducto; se instala directamente en el origen del foco de contaminación, captarlo antes de que se expanda en el recinto completo. En algunos casos de gases de pequeño volumen pero gravemente tóxicos, por ser emitidos cerca de las personas, es imprescindible la extracción directa, previniendo que lleguen a las vías respiratorias del operador.

En algunas ocasiones no es posible reemplazar en su totalidad la ventilación general por la localizada, sin embargo es posible casi siempre resolver los problemas de ventilación mediante la extracción directa, sin aumentar la ventilación natural y sin necesidad de inversiones elevadas o costos de mantenimiento enormes.

B. Ventilación por diferencias de temperaturas: Fundamentado por medio del calor. El aire se renueva por efecto de la diferencia de densidades entre el aire fresco del exterior, más pesado, y la del interior más caliente, más ligero. Esta renovación no es constante y fluctúa según oscilen las temperaturas en cuestión.

Este tipo de ventilación es muy usada en hospitales, centros públicos de concurrencia, vitrinas de laboratorios, cámaras de disecaciones y casOs parecidos.

1.3.5. Ventiladores 1.3.5.1. Tipos de Ventiladores

Los ventiladores se pueden clasificar en dos grandes grupos: Los ventiladores centrífugos y los ventiladores de flujo axial, que difieren entre sí en la dirección del flujo de aire que pasa por ellos, según Pita (2000).

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El ventilador centrífugo impulsa al aire a lo largo del eje del ventilador y luego es desviado rápidamente en forma radial de dicho eje. El aire se reúne en una carcasa o caracol y se concentra en una dirección. Estos ventiladores pueden subclasificarse en curvados hacia adelante, radiales, curvados hacia atrás, e inclinados hacia atrás dependiendo de la fonna de las aspas de su impulsor.

El ventilador de flujo axial, impulsa al aire a lo largo del eje del ventilador y después sale en la misma dirección, en forma lineal el flujo de aire con el eje del rotor. Estos ventiladores se pueden subclasificar en los de tipo hélice, tubo axial y aspas axiales.

1.3.5.2. Selección de Ventiladores

Dependen de las características particularidades, la selección del determinada aplicaciones.

de . mejor

funcionamiento y otras tipo de ventilador para

Los ventiladores de hélice (axial) no pueden crear altas presiones y por lo mismo no se usan cuando hay ductería. Su costo es relativamente bajo y sus aplicaciones típicas son ventiladores de escape de pared o de ventana. Los centrífugos son los que se usan con más frecuencia en sistema de ductería.

Por el contrario los centrífugos en general son más costosos que los axiales, pero normalmente tienen menores costos de operación debido a su mayor eficiencia. La característica de la potencia máxima reduce la posibilidad de sobrecargar el motor o el sistema de distribución eléctrica.

El fabricante presenta la capacidad del ventilador por medio de curvas de funcionamiento o tablas para cada tamaño. Tanto las curvas como las tablas tienen ventajas y desventajas.

,.

Las curVas de funcionamiento permiten que se visualice fácilmente los cambios en la presión estática, potencia y eficiencia. Cada curva de ventilador representa el funcionamiento a una velocidad específica del ventilador y a determinada densidad del aire. La capacidad de los ventiladores se da en general para aire en condiciones normales: Densidad de 0.75 lb/ft3 a 70°F y 29.29 pulgada de Mercurio. Se pueden conseguir con curvas de funcionamiento para diferentes condiciones del aire por parte del fabricante, pero si no es aSÍ, se pueden predecir mediante las leyes de los ventiladores.

Las tablas enlistan el funcionamiento del ventilador a diferentes velocidades y por lo tanto sustituyen a un gran número de curvas. Por

10

Diseño De Un Sistema De Captación De Polvos Sobre Una Mezcladora De Masa En Una Industria De Alimentos Culinarios Deshídratados

esta razón para seleccionar ventiladores las tablas se usan con más frecuencia que las curvas. Sin embargo la condición de operación a máxima eficiencia no es aparente cuándo se usan las tablas. Algunos fabricantes resuelven esto anotando el punto de eficiencia máxima en sus tablas, de manera resaltada. Mientras más cerca de la eficiencia máxima ocasiona el menor nivel de ruido del ventilador.

Para seleccionar un ventilador se calcula primero la resistencia del sistema de conductos, en forma de presión estática (Sp). A continuación se usan los datos del fabricante para seleccionar la unidad que produzca el flujo requerido CFM, con tal resistencia de presión estática del sistema.

En efecto, el ventilador debe desarrollar una presión estática y un flujo igual a las necesidades del sistema.

Se puede seleccionar también el ventilador sobre la base de la presión total, en lugar de sobre la presión estática; Cualquiera de ellas es satisfactoria para los sistemas de baja velocidad. Para los de velocidades altas, en ocasiones es más exacto usar la presión total.

A la presión estática de resistencia del sistema se le llama con frecuencia presión estática externa y se le abrevia SP o ESP en los catálogos de los fabricantes.

Frecuentemente ventiladores de diferentes tamaños o funcionando a diferentes velocidades satisfacen los requisitos de presión y CFM; por lo tanto, el siguiente paso en la selección del ventilador es decidir que criterios adicionales se deben usar para hacer la "mejor" selección. A continuación se examinarán algunos de esos factores, según Pita (2000):

1. Se deben escoger ventiladores para una eficiencia cercana a la máxima, en especial cuando los costos de energía son altos (como lo es en el caso de Guatemala). Este punto quedará en los rangos medios de la curva de presión-flujo. Evitar la tentación de seleccionar un ventilador muy alejado en la curva, cerca de la entrega máxima. Esta tentación es grande, puesto que significa un ventilador más pequeño y por lo tanto, a un menor costo inicial, sin embargo, el costo de operación será alto.

2. No se debe seleccionar los ventiladores a la izquierda de la presión máxima en la curva del ventilador. En estas condiciones la operación del sistema será inestable: puede haber fluctuación de la presión y demasiado ruido.

3. Se debe tener en cuenta los efectos del sistema, de acuerdo con las conexiones de conductos de entrada y salida.

4. Los ventiladores pueden tener curvas de presión de pendientes variables. Cuando se espera que existan cambios considerables

] I


en la resistencia del sistema, pero se necesita un flujo constante, se aconseja el ventilador que tenga la curva mas inclinada. Para sistemas de volumen variable de aire, uno con curva más plana es el aconsejable.

1.3.6. Diseño de Campana de Extracción

Según Committee on industrial ventilation (1986), para diseñar un sistema de extracción de aire por medio de una campana de extracción es necesario realizar un diseño adecuado el cual logre controlar una atmósfera contaminada y su fuente, con un mínimo de flujo de aire y - . energla para consumIr.

La teoría de la velocidad de captura depende de la creación de un flujo de aire que pase a través de la ' fuente contaminada la que .es lo' suficientemente alta, para remover el aire contaminado que se encuentra alrededor del punto o remover de ese foco contaminante arrastrarlo por medio del aire hacia dentro de la campana de extracción.

Se puede observar que el polvo en pequeñas partículas (medidas en micrones) se encuentran en el aire. Aunque se muevan a grandes velocidades o que viajen distancias muy cortas en el aire son conducidas en corrientes de aire de la atmósfera común. A través del polvo fino las partículas que tienen importancia en la salud del ser humano, fluyen en las corrientes de aire, son consideradas aire portador de polvo. Lo mismo se considera para la niebla y el humo, así como para vapores y gases mezclados íntimamente con el aire y las corrientes de aire.

Grandes cantidades de partículas de polvo son liberadas a grandes velocidades debido a distintos procesos industriales. Tienen una trayectoria apreciable, se desplazan a través del aire, o flujo de aire. Estas grandes cantidades de partículas no pueden ser capturadas al menos que sea directamente por un elemento de captación (así como la campana de extracción). Es deseable recolectar este polvo así como conducir el aire portador para mantener condiciones aceptables de trabajo.

1.3.6.1 Principio del diseño del Elemento de Captación

Básicamente, el diseño de campanas requiere un conocimiento suficiente del proceso o la operación, para que la campana o cabina más adecuada sea instalada para proveer el mínimo de volúmenes de extracción para un control efectivo del contaminante. Mientras más completo esté el entorno más económico y efectivo será la instalación.

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Diseño De Un Sistema De Captación De Polvos Sobre Una Mezcladora De Masa En Una ,!!:w Industria De Alimentos Culinarios Deshidratados

Muchos diseñadores desarrollan sus propias campanas mentalmente, encasillando la operación por completo, desde el acceso de suministro y registros de trabajo como sea necesario. Con este concepto completo se pueden desarrollar campanas generales con formas de cabinas, laterales de pared o sin paredes laterales. Todas las entradas de aire en el área de trabajo se mantienen al mínimo y son localizadas lejos de la ruta natural del contaminante tanto como sea posible. Registros para mantenimiento y de inspección son proveídos con puertas cuando sea práctico.

Extracción local o puntual que no puedan encerrar todo el espacio o el espacio contaminado son recomendadas como la última opción, porque el volumen a extraer es mayor y el control puede perderse fácilmente con correntadas de aire que crucen el área.

Las campanas de extracción son efectivas' para el control de procesos calientes y para operaciones que esporádicamente liberan cargas de gases calientes y vapores. Estas no se deben utilizar donde los operarios trabajen por encima de la operación como en el caso de tanques de enchapado o tablas de cementosa donde el flujo del aire pasa a través de la zona de respiración y pueden aumentar la exposición de materiales tóxicos.

El conducto de extracción que recoge el aire viciado debe ser localizaron, cuando sea posible, en línea con el flujo normal del aire contaminado y este debe estar arreglado según se desee distribuir el flujo de aire extraído.

En el caso de grandes elementos extractores, el movimiento del aire tiende a concentrarse en el frente de la inicio del conducto. El aire se puede distribuir satisfactoriamente según los requerimientos, usando múltiples de salida o instalando pantallas interiores o bancos de filtros.

Dependiendo el tipo de elemento de captación que se emplee se especifica en la tabla TTT los distintos aspectos R tomar en cuenta los radios y relaciones de lados así como las formulas a emplearse para el cálculo del volumen de aire en la forma de caudal, las cuales incluyen una velocidad del aire mínima para captura, según Committee on industrial ventilation (1986).

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Disefto De Un Sistema De Captación De Polvos Sobre Una Mezcladora De Masa En Una Industria De Alimentos Culinarios Deshidrata.dos

Tipo de Elemento de

"V

~

W

Tabla TTT Descripción Radio, W IL

Ranura

Ranura en brida

Abertura plena

Brida con abertura plena

Cámara

Campana Extracción

0.2 o menos

0.2 o menos

0 .2 o mayor y redondo

0.2 o mayor y redondo

Para trabajo delicado

Para trabajo delicado

Fuente: Committee on industrial ventilation, (1986)

Volumen de aire

Q = 3.7LVX

ula2

Q= 2.6 LVX Formula 3

Q= V(lOx2+ A) Formula 4

Q= 0.75V(lOX2+A) Formula 5

Q = VA-VHW Formula 6

Q = 1.4PHV

P= petimetro del trabajo

H= altura arriba del trabajo

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1.3.6.2. Procedimientos de diseños de Campana

El control efectivo de un contaminante que se produce en un proceso comienza eliminando al mínimo todo movimiento de aire cerca del proceso y después capturando el aire contaminado por medio de un conducto hacia una campana de extracción. El flujo se dirigirá hacia la abertura de succión, la cual debe ser suficientemente alta para mantener la velocidad de captura necesaria y vencer corrientes opuestas de aire.

El primer paso en el diseño de una campana es eliminar las fuentes generadoras de flujo de aire; es un factor importante el reducir el volumen de aire a desplazar y minimizar energia de consumo. Las fuentes de aire importantes son:

1. Corrientes de aire térmicas, especialmente · de proceso caliente . u operaciones que generan calor.

2. Movimiento de maquinaria, así como ruedas de taladros, fajas transportadoras, etc.

3. Movimiento de material, así como volteos o llenado de contenedores. 4. Movimientos del operador. 5. Corrientes de aire del cuarto(la cual usualmente se toma de 50 FPM

como mínimo y puede ser mucho mayor) 6. Puntos de equipos de enfriamiento y calentamiento.

La forma de la campana, su tamaño, localización y rango de flujo de aire son consideraciones muy importantes dentro del diseño.

La campana debe cubrir o encubrir el área de operación lo más que se pueda. Si la forma de cabina no es práctica, la campana debe estar lo más cerca posible de la fuente para controlar el área de contaminación.

Bridas deben utilizarse donde sea posible para eliminar extracción de aire de áreas inefectivas, así como decrecer las pérdidas del elemento encampanado, según Committee on industrial ventilation (1986).

1.3.7. Velocidad de Captura

La velocidad de captura es la velocidad en cualquier punto enfrente del elemento encampanado, que sea necesario para contrarrestar las corrientes de aire opuestas y capturar el aire contaminante encausándolo dentro de la campana de extracción.

Sólo cuando el volumen de captación es excepcionalmente alto, se requiere mayor volumen de aire que lo indicado en la tabla siguiente. Esto se debe a las siguientes condiciones:

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Diseño De Un Sistema De Captación De Polvos Sobre Una Mezcladora De Masa En Una Industria De Alimentos Culinarios Deshidratados ~ll'f,l;

1. La presencia de una mayor masa de aire moviéndose dentro del elemento encampanado.

2. El hecho de que el contaminante esté bajo influencia de la campana . durante un mayor tiempo que en el caso de las campanas menores.

3. El hecho de que un mayor volumen de aire ofrezca una mayor dilución a lo que se ha establecido hasta ahora.

Condiciones de dispersión del contaminante

Liberado prácticamente sin ninguna velocidad.

Aire quieto Liberado a baja velocidad dentro de moderado aire quieto

Generación activa en la zona den tro de movimiento rápido de aire

Tabla R Rangos de la velocidad de captura

Ejemplos

Evaporación de tanques, desengrasados, etc.

Cabinas de Atomizadores; Llenadores intermitentes; Transportadores de velocidad lenta; Soldadura; Enchapado, Encurtiduchas. Cabinas de pintura por medio de aerosoles, transportadores de carga, llenados de barril, molinos.

Liberado a una Taladrados, velocidad inicial alta Descarriado dentro de la zona de destartaladora movimiento rápido de

Cortadoras, abrasivo,

aire

Velocidad de Captura FPM

50;.100

100-200

200-500

500-2000

En cada categoría se muestra, el rango de la velocidad de captura. La selección adecuada de cada valor depende de varios factores:

Parte baja del rango 1. Corrientes dentro del cuarto mínimas o a favor de la captura. 2. Contaminantes de baja toxicidad o de valores de poca molestia. 3. Intermitentes de baja producción. 4. Grandes Campanas, grandes masas en movimiento.

Parte superior del rango 1. Corriente turbulenta dentro del cuarto. 2. Contaminantes de alta toxicidad. 3. Alta producción, uso pesado. 4. Pequeñas campanas, control local solamente.

Fuente: Committee on industrial ventilation, (1986).

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Diseño De Un Sistema De Captación De Polvos Sobre Una Mezcladora De Masa En Una Industria De Alimentos Culhlarios Deshidratados

1.3.8. Velocidad Mínima de diseño en ductería

Para sistemas que manejan partículas, una velocidad mínima de diseño en la ductería es requerida para prevenir depósitos o taponamientos dentro de la misma. Por otro lado, una velocidad excesivamente alta es un desperdicio de poder y puede causar una abrasión rápida en el interior de la ductería. Las velocidades mínimas de diseño son mayores que las teóricas y experimentales, con el fin de proteger varias contingencias en la práctica, como son:

• Taponamiento o cerrado de una o más ramas, pueden reducir el volumen de todo el sistema y por consiguiente reducir la velocidad en al menos algunas secciones de la red de d uctería.

• Daño hacia la ductería, como abolladuras por ejemplo, pueden incrementar la resistencia y decrece el volumen y velocidad en la línea dañada del sistema.

• Fugas en la ductería pueden incrementar el volumen y velocidad de aguas abajo de la fuga pero provoca un decremento aguas arriba y otras líneas del sistema.

• Corrosión o erosión en la rueda del ventilador o sobre la banda de potencia del equipo (si tuviera) puede reducir el volumen y velocidad del mismo.

• Velocidad de be ser adecuada para recoger o movilizar polvo que pudo haberse depositado debido a una mala operación del sistema de extracción.

El diseñador debe ser cuidadoso para algunas condiciones como materiales pegajosos, condiciones de condensado en presencia de polvo, efectos electroestáticos elevados, etc., la velocidad sola puede no ser suficiente para prevenir el taponamiento y otras medidas especiales puedan ser necesarias en el sistema.

En una ventilación estándar, la presion estática sola sin ninguna referencia al diámetro del conducto no tiene ningún sentido. Si decrece la medida de una rama del conducto resulta una velocidad mayor, mayor resistencia y un rango menor de flujo, aunque la presión estática incrementa. La manufactura de campanas o elementos acampanados debe basarse principalmente en los volúmenes de aire manejados, según Committee on industrial ventilation (1986).

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Naturaleza de los Contaminantes

Vapores, gases, tabaco

Humos

Tabla v. RaDIOS de veloclclades para cUse60

Ejemplos

Todos los vapores, gases y humo de cigarrillos

Humos de óxido de aluminio y zinc.

Polvo liviano muy fmo Hilos de algodón, aserrín, polvos de litio.

Polvorín y polvo seco

Polvo industrial Promedio

Polvo Pesado

Polvo húmedo o pesado

Polvos de hules fmos, harina, moldes de bakelita, polvo de algodón, polvo de jabón, acepilladuras de cuero.

Virutas (pesada y húmeda), polvo de taladrado, hilados de cuero, granos de café, polvo de zapatos, polvo de granito, fluor de silicio, corte de ladrillos, polvo de arcilla, fundición en general, polvo de piedra de limado, empaquetado y pesado de polvos de asbestos en la industria textil.

Tornos de metal, fundiciones en toneles volteadores y mezcladores, Polvo a presión de arena, bloques de madera, pasta de cerdo o cebo, polvo de plomo.

Polvo de plomo con ctrips pequeños, cemento húmedo en polvo, Pedazos de asbestos en la máquina cortadora, Hilados de cuero pegajosos, polvo de limadora rápida.

Fuente: Cornmittee on industrial ventilation, (1986)

Velocidad de Diseño

Cualquier velocidad deseada (velocidad óptima económica usualmente entre 1000-1200 FPM)

1400-2000

2000-2500

2500-3500

3500-4000

4000-4500

4500 para arriba

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Diseño De Un Sistema De Captación De Polvos Sobre Una Mezcladora De Masa En Una Industria De Alimentos Culinarios Deshidratados ",.

1.3.9. Dimensionamiento de los sistemas de ductería

1.3.9.1. Perdidas por fricción en flujo de aire a través de conductos

La pérdida de presión debida a la fricción en conductos rectos y redondos aparece en gráficas con presentaciones semejantes a las de flujo de agua en tuberías. La gráfica CCC muestra esta información. La gráfica es adecuada para conductos limpios de acero galvanizado con unos 40 empalmes o uniones por cada 100 pies, y con aire en condiciones normales. Se puede utilizar para el rango general de temperaturas que se presentan en la calefacción, la ventilación y acondicionamiento de aire y para altitudes hasta de 2000 pies.

Para calcular la pérdida por fricción en los >conductos de sección rectangular se debe usar primero la gráfica EEE. Esta gráfica muestra los diámetros de conducto redondo equivalente. El conducto redondo equivalente es aquel que tendría la misma pérdida por fricción que el conducto rectangular que aparece en la gráfica, según Pita (2000) .

1.3.9.2. Relación de Aspecto

A primera vista parecería que el conducto redondo equivalente tendría la misma área de sección transversal que uno cuadrado, para tener la misma pérdida por fricción Esto no es exacto. Un conducto rectangular con la misma pérdida por fricción tendrá un área mayor que un conducto redondo. Esto se debe a su forma rectangular, que tiene una mayor relación de superficie de conducto con área transversal, por lo que causa mayor fricción. Este problema empeora a medida que aumenta la relación de aspecto. Esta es la relación de las dimensiones de los dos lados adyacentes de un conducto rectangular. Como regla general, las relaciones de aspecto de los conductos rectangulares deben ser tan bajas como sea posible para mantener razonablemente bajas de consumo de energía. Una relación de aspecto ascendente querrá decir también que se usa más lámina metálica y por lo tanto que el sistema será más costoso. Desafortunadamente, el espacio disponible para los conductos horizontales esta limitado con frecuencia debido a la profundidad de los cielos falsos suspendidos, que a veces obliga a usar altas relaciones de aspecto. Por ejemplo un conducto rectangular de 10 "x 33 "tiene una relación de aspecto razonable ya que tiene 33/10 = 3.3., según Pita (2000) .

Los datos en las gráficas, se muestra se muestran en pulgadas bajo la abreviatura In.

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Gráfica eee 100000

10000

~ U. 1000 U

100 F--

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• Ot .02 .OS.OI . 041 .0' .1 .2 .3 •• •• .1 1.0 2 2 • . . ~ . Pérdida de presión en pulgadas de agua por cada 100pies.

Fuente: Pita (2000)

20

l, ;

Diseño De Un Sistema De Captación De Polvos Sobre Una Mezcladora De Masa En Una Industria De Alimentos Culinarios Deshidratados JI -

Gráfica EEE Coeficientes de Pérdida en Conexiones y transiciones Fuente: Pita (2000)

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lado del dueto reo.tangular. in

21


1.3.9.3. Pérdidas de presión en conexiones de conductos

Las pérdidas de presión en conexiones de conductos, que resultan de cambios de dirección, se pueden expresar en varias formas. Una de ellas es el método de coeficiente de pérdidas que se explica a continuación:

La pérdida de presión a través de una conexión se puede calcular como SIgue:

Hr = C x Hv = C x (V /4000)2 (Pita, 2000) Formula 8 Donde

Hf = pérdida total de presión a través de la convexión (plg. de agua). C = coeficiente de pérdidas Hv = presión de velocidad en la conexión (plg. de agua). V = velocidad (pies/ min).

En las tablas de coeficientes de pérdidas en conexiones y transiciones que se encuentran en el apéndice 4 se muestran algunos valores de e para varias conexiones. Las pérdidas a través de las conexiones dependen de la forma, de la cual puede haber muchas variaciones. En el ASHRAE Fundamental se puede encontrar una lista más extensa.

1.3.9.4. Pérdidas de presión en la entrada y salida de ventiladores

Según Pita (2000), se tendrá pérdida de presión en la entrada o succión y en la salida o descarga de un ventilador. El valor de cada una de ellas depende de la forma de la conexión entre el ventilador y el conducto. A esto se le llama efecto del sistema. En la tabla EEE, que se encuentra en el apéndice 5, aparecen algunos valores del coeficiente e de las pérdidas resultantes. Si se revisan los tipos de conexiones en la tabla EEE se aprecia la importancia de considerar el efecto del sistema y de instalar el ventilador con buenas conexiones. En los manuales AMCA (Air Moving and Conditioning Association) se puede encontrar una lista de efectos del sistema.

1.3.9.5. Pérdidas de Presión en sistemas de conductos

Se deben calcular las pérdidas de presión en conductos para determinar la capacidad de los ventiladores, verificar el funcionamiento del sistema y balancear las cantidades de aire. Se define a la pérdida total de presión del sistema como la pérdida de presión total a través del trayecto del conducto que tiene mayores pérdidas de presión. Este trayecto es con frecuencia el más largo, pero puede ser uno mas corto que contenga un número

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Diseño De Un Sistema De Captación De Polvos Sobre Una Mezcladora De Masa En Una "J.; Industria De Alimentos Culinarios Deshidratados 'N·'

apreciable de conexiones con grandes pérdidas de presión. Es más sencillo trabajar con la pérdida total de presión en lugar de pérdidas de presión estática, cuando se analizan las pérdidas de presión en conductos. Esto proporciona una mejor compresión de la presión total disponible en cada punto del sistema, en caso de surgir problemas. Para calcular la pérdida total de presión en el sistema. Se suman las pérdidas para cada sección de tubo recto y cada conexión en el trayecto que se haya elegido. Se deben incluir las pérdidas de presión a través de cualquier equipo (serpentines, filtros, difusores). El fabricante proporciona estos datos, según Pita (2000).

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MARCO 11: PLANTEAMIENTO DEL PROBLEMA

RESUMEN DEL PROBLEMA

En la industria de productos culinarios deshidratados, en el área de fabricación de masas para tableta banda, tiene el problema de exceso de polvo esparcido (debido al proceso) en el ambiente, el que produce daños a la salud de los operarios, exceso de mantenimiento en limpieza sobre el área en general, aumentando los costos y condiciones incomodas para la producción.

La empresa solicitó asesoría para resolver el problema puntual, ya que es una empresa que al operar 24 horas del día los 365 días del año, debe cumplir con normas que no afecten la salud de los operarios, así como cumplir con ambientes adecuados de trabajo. Es necesario un sistema para la captación de polvos que se originan en las mezcladoras de masas, estas son cuatro las cuales hay tres en línea y una independiente.

Este proyecto incluye problemas técnicos que comprenden áreas de la ingeniería industrial y la mecánica, y contribuirá a un mejor desempeño de los trabajadores y una mejor productividad, la cual será beneficiada la empresa y, por lo mismo, su industria. Por lo tanto se formula la siguiente problemática para investigación: ¿Es factible mejorar el ambiente de la empresa para lograr las condiciones adecuadas de trabajo?

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Diseño De Un Sistema De Captación De Polvos Sobre Una Mezcladora De Masa En Una Industria De Alimentos . Culinarios Deshidratados

2.1 Objetivos

Generales: a) Presentar un sistema de captación de polvos sobre las mezcladoras de

masa en la industria de alimentos culinarios deshidratados.

b) Describir las características básicas y fundamentales para determinar el diseño del sistema de extracción de aire viciado para una mezcladora individ ual.

Especificos: a) Contribuir con la empresa guatemalteca para que pueda ejecutar el

sistema de captación de polvos en una de sus mezcladoras, basado en el presente trabajo como parte de un estudio técnico y selección de . equIpo.

b} Encontrar los pasos necesarios para poder diseñar una campana de extracción y un sistema de ventilación local; para una mezcladora como para las otras existentes.

c) Elaborar una propuesta que logre reducir la mano de obra debida a la limpieza del equipo, así como mejorar las condiciones de trabajo en toda el área de fabricación, sobre todo para los operarios, requeridas por normas.

2.2 Variables

Se seleccionaron los elementos de mayor relación para la elaboración del estudio, conforme su importancia dentro del problema a resolver. Debe de mencionarse que ciertas variables pueden ser casuales y relacionadas entre sí con algunas otras. Las variables a estudiar son:

• Las máquinas kreber, mezcladoras de masas, utilizadas para mezclar en este caso polvo y masa.

• Cantidad de materia prima y especias en determinado proceso. • El procedimiento de llenado de las materias primas y especias. • Cantidad de polvo esparcido en el ambiente. • Cantidad de horas hombre en limpieza.

2.3 Definición De Las Variables a) Las máquinas kreber, mezcladoras de masas, utilizadas para mezclar en este caso polvo y masa.

• Conceptual: Utensilio o máquina diseñada especialmente para mezclar masas y pastas de cualquier tipo, para dar como resultado una masa homogénea. Fabricación Holandesa, capacidad de 600 Kgjbatch. Material de a<?ero inoxidable modelos entre 1972 y 1983.

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Diseño De Un Sistema De Captación De Polvos Sobre Una Mezcladora De Masa En Una ''', Industria De Alimentos Culinarios Deshidratados '\F.

• Operacional: Las máquinas de mezclar kreber se utilizan para mezclar masas, pastas y polvos a los mismos, tiene forma de un cilindro horizontal con tapadera, en la parte superior que es por donde entra el producto. Por la parte de abajo sale el producto por gravedad o en forma de volteo sobre un eje y se vierte a recipientes especiales.

b) Cantidad de materia prima y especias en determinado proceso. • Conceptual: Todo lo que es capaz de aumentar y disminuir

referente a materia prima y especias, que se utiliza en cada proceso.

• Operacional: Según el determinado proceso se emplea una cantidad mayor o menor de material sobre todo en el caso de las especias, esta es la que se eleva en el ambiente al provocar el choque. No puede haber más cantidad de materia en el ambiente que la que existía en la bolsa o recipiente.

c) El procedimiento de llenado de las materias primas y especias.

• Conceptual: Serie de pasos que determinan la forma en que se de be de realizar una actividad específica con el fin de lograr uniformidad en las operaciones.

• Operacional: Permite controlar los procesos de llenado, medida y tipo de materiales de menor densidad y dañinos para el ser humano.

d) Cantidad de polvo esparcido en el ambiente. • Conceptual: Todo lo que es capaz de aumentar y disminuir

referente a materia prima y en especial a especias en el volumen en el recinto.

• Operacional: El polvo que se eleva de las mezcladoras cuando se llenan y se deposita en el techo, piso, máquinas, controles, paneles, bolsas, etc. El reducir este en un 950/0 es 10 deseado por el cliente.

e) Cantidad de horas hombre en limpieza. • Conceptual: Tiempo utilizado por el personal para realizar

una labor con remuneración por parte de la empresa en una jornada diaria.

• Operacional: Costo y puesto de trabajo que desea eliminar la empresa, al reducir la cantidad de polvo, el tiempo de limpieza será mucho menor y los operarios pueden ocuparse en algo más productivo.

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Disefio De Un Sistema De Captación De Polvos Sobre Una Mezcladora De Masa En Una Industria De Alimentos Culinarios Deshidratados

2.4 Alcances y Límites

Este trabajo escrito se limita al diseño y dimensionamiento de un sistema de captación de polvos sobre una mezcladora que se utiliza en la industria de culinarios deshidratados, no incurre en análisis financiero un de costo, así como en especificaciones técnicas en lo referente a la estructura de montaje y mecanismo movibles. Esto no comprende un análisis de resistencia de materiales, soldadura, calibres adecuados procesos de manufactura, etc.

Se ilustra y enumera, únicamente, una propuesta factible que soluciona el problema, con un diseño de campana de extracción, caudal, necesario, así como un sistema de conductos y un método para encontrar pérdidas por fricción correspondientes, selección de equipo pertinente y un modelo de campana movible, con mecanismo deslizante y paredes plegadizas. Todo esto para cumplir con los requerimientos en el área de proceso de dicha industria.

Uno de los alcances es contar con una herramienta para realizar el proyecto y que cumpla con los requerimientos mínimos, que se determinarán. Además, contar con una competencia limpia y equivalente para las condiciones de los contratistas y el beneficio de la empresa, ya que tendrá un modelo con que compararse, en los cuales comprenden modelos de equipos, marcas, capacidades requeridas, dimensiones requeridas, así como tipo de materiales a emplearse. Así mismo el cumplir con las normas requeridas tanto de la ASHRAE y AMCA, (anexo 1), así como las de higiene.

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2.5 Aportes

• A Guatemala, para que las industrias obtengan en algún grado mayor eficacia y mejor productividad; y puedan seguir desarrollándose y fortaleciendo para obtener un desarrollo sostenible y crear fuentes de trabajo para los guatemaltecos.

• A la Fábrica de Alimentos culinarios deshidratados, para obtener un valioso elemento para efectuar cotizaciones a contratistas para poder ejecutar y poner en práctica esta solución a sus problemas de exceso de trabajo con relación a la limpieza del área después de producción.

• Al sector industrial, para que este trabajo de tesis es una fuente de estudio y facilite ideas y recomendaciones actuales en el ámbito de la ventilación industrial y comercial, analizando su importancia y recursos prácticos y sencillos para solucionar problemas de aire viciado en las empresas.

• A la Universidad Rafael Landivar, ofreciendo el presente trabajo de tesis como una fuente bibliográfica o material de apoyo para los estudiantes de ingeniería mecánica industrial, catedráticos o cualquier interesado en información sobre sistemas de captación de polvos por medio de la extracción de aire viciado; así como las consideraciones técnicas y físicas para el análisis en cualquier problema en específico en la industria guatemalteca.

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Diseño De Un Sistema De Captación De Polvos Sobre Una Mezcladora De Masa En Una i i· Industria De Alimentos Culinarios Deshidratados

MARCO 11: MÉTODO 3.1 Sujeto

Como se ha mencionado a lo largo de este trabajo se analiza una industria dedicada a la fabricación de productos culinarios deshidratados como sujeto de estudio, de donde se pudo investigar y obtener los datos e información necesaria para presentar una solución al problema expuesto. Por iniciativa de la misma empresa se iniciaron los estudios pertinentes para resolver el problema de exceso de trabajo por parte de los operarios debido al polvo esparcido en el recinto, así como la pérdida del mismo en el proceso real. Además de implementar el diseño inicial y conferirlo a las otras cuatro mezcladores de la fábrica.

3.1.1 Descripción de la empresa y lugar de proceso

La industria se dedica a la fabricación de productos culinarios deshidratados. Empezó a funcionar desde 1969, una compañía internacional con altos estándares de calidad.

El lugar donde se realiza esta labor, es un segundo nivel de la nave central, sobre piso de concreto, paredes de block, el área ocupa un área aproximadamente de 40 metros cuadrados y una altura máxima de 5 metros y mínima de 3 metros. Ver apéndice 1. Tres máquinas mezcladora que están en serie a cuatro metros de distancia, por encima existe un riel que lleva un polipasto que carga una tolva que contiene el material de llenado, el cual vacía por gravedad encima de cada mezcladora según una secuencia comandada por control automatizado el cual se encuentra al fondo del área mencionada junta a la pared.

3.1.2 Descripción de la maquinaria

Este sistema de tres en serie se encuentra en elevación, por encima del suelo a una altura aproximadamente de 1.97 metros, estas tres están justamente en el centro del área dicha. Una cuarta mezcladora esta independiente y esta a 28 centímetros sobre el suelo. Esta también tiene un riel con polipastro para el llenado de la materia prima, dicha mezcladora (independiente) es el elemento sobre la cual se realiza el estudio respectivo, usada como prototipo para las siguientes tres. Las dimensiones de la mezcladora constan de 98 centímetros de ancho, 1.50 metro de largo y una altura de 1.30 metros (del nivel del suelo al tope de la tapadera). El resto de área de trabajo se destina a pasajes o corredores, lugares de llenado y sobre todo bolsas y sacos con materia prima.

Se tiene un total de cuatro máquinas kreber, dos personas por cada una, uno es el operario y otro el auxiliar. Tres de las máquinas están en serie y a una altura de 1.97 metros sobre el nivel del suelo, estas tienen unas

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Diseño De Un Sistema De Captación De Polvos Sobre Una Mezcladora De Masa En Una Industria De Alimentos Culinarios DeshidratrulQs

dimensiones de 1.50 metros de largo, 1.07 metros de alto sobre una base de metal y 0.98 metros de ancho. (Ver esquema, apéndice 1).

3.2 Instrumento

La información y datos necesarios para la realización del diseño a proponer en el sistema de captación de polvos sobre las mezcladoras, incluyen fuentes secundarias de información como lo son manuales, fichas técnicas.

Por medio de un cuestionario escrito se recopiló información de parte del Ingeniero de mantenimiento y de tres operarios. La razón de entrevistar a tres operarios, consistió en que la planta es de 365 días de trabajo continuo, entiéndase no detienen el proceso, existen tumos de trabajo y diferentes operarios de realizar la misma función, en este caso el llenado de materia prima dentro de las mezcladoras.

Como antecedente se menciona que la fabrica empleó un diseño propuesto por el Ingeniero de Planta, para tratar de contrarrestar este problema con anterioridad. El diseño consistió en una anguera adaptada a la tapa de las mezcladoras, acoplada por medio de un acople tipo manguera de bombero con clamps. Este sistema no funcionó debido a que la extracción de aire se asemejaba a una aspiradora puntual, lo cual sólo sustraía el aire cerca de la abertura y por momentos causaba una presión positiva lo cual producía una expulsión del material en forma de polvo por las partes laterales de la tapadera de la mezcladora, que causó un orificio en la tapa, deteriorando la misma, produciendo que tenga mayores puntos de fisuras.

Ahora bien, para los cálculos y el desarrollo numérico del diseño, se utilizaron ecuaciones de caudales y pérdidas mostradas anteriormente así como tablas de diseño de campanas de extracción, tabla de selección de diámetros para ductería a presiones específicas, presión estática y dinámica, presiones totales, etc. Estos son indispensables para obtener los datos necesarios para llegar a las conclusiones de este trabajo.

Para determinar el flujo de aire requerido por el equipo de ventilación centrífugo a utilizar, existen varios métodos para obtenerlo, que por medio de gráficas relacionan el volumen requerido, presión estática total y capacidad del motor. También, toma en cuenta la acometida eléctrica y limitaciones de espacio dentro del recinto.

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Disefio De Un Sistema De Captación De Polvos Sobre Una Mezcladora De Masa En Una Industria De Alimentos Culinarios Deshidratados

3.3 Procedimiento

Se realizaron varias acciones para llegar a determinar los puntos importantes los cuales son el objetivo principal del estudio de la presente investigación, siendo los más relevantes los siguientes pasos:

• Con la información proporcionada se realizaron cálculos tennodinámicos de flujos de aire, capacidad de extracción, velocidad de captura, encontrando de esta forma la capacidad de extracción requerida del aire suspendido sobre la mezcladora.

• Posteriormente se realizó el diseño de la campana de extracción así como de la estructura móvil de sujeción aplicando conocimientos y criterios adecuados.

• Realización de la discusión de los resultados y las recomendaciones pertinentes del caso.

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Diseño De Un Sistema De Captación De Polvos Sobre Una Mezcladora De Masa En Una <. " Industria De Alimentos Culinarios Deshidratados ,>¡, ,.

MARCO IV: RESULTADOS

4.1 Datos e Información Importante

El perímetro de las mezcladoras consiste en dos largos de 1.50 metro (4.92 pies) y dos anchos de 0.98 metro (3.21 pies). Generalmente se dimensiona la campana de extracción con una holgura de 6 pulgadas en cada lado que sobrepase el área de trabajo, según Committee on industrial ventilation (1986).

La altura máxima que se permite en la parte baja de la campana, es de 4 pies sobre el área de trabajo; esto es para que no afecten en gran medida las corrientes perpendiculares al volumen de aire bajo la campana.

En este trabajo se hace un diseño de campana de extracción en la cual se despliegan tres paredes laterales para crear una cabina y reducir el caudal de aire a emplear. Se realizo el cálculo para una campana aislada simple, una con dos paredes y una con tres, en la cual se determina el caudal necesario. Debido a la gran cantidad de caudal necesario en las primeras dos opciones se optó por la tercera. Las primeras dos representan un dimensionamiento de conductos muy grandes, costosos y no posibles de instalar en el espacio requerido, sin dejar de mencionar el equipo de ventilación grande, ruidoso y costoso a emplearse.

4.2 Dimensionamiento de la Campana de Extracción

Las medidas de la campana comprenden al área de trabajo en este caso el área de abertura de la mezcladora de masa la cual comprende 4.92 pies de largo y 3.21 pies de ancho, a una altura de 4 pies. La campana comprende una pendiente mínima de 45° del área donde se encuentra la extracción hasta la parte final de la campana.

El diseño del mecanismo que abate las paredes laterales y la longitudinal se muestra en el plano de diseño de sistema de captación de polvos en el apéndice 2. Este mecanismo mecánico por su simplicidad consiste en compactar la cabina de extracción mientras no se utilice la misma y este suspendida por encima del operador, en el momento preciso que desee emplear la cabina (cuando se vierta las especies) solamente la posiciona por encima del operario y desmonta las paredes plegadizas halando hacia abajo para situarlas, dejando una cabina de tres paredes alrededor de la mezcladora.

El Dimensionamiento de la campana es la siguiente:

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Diseño De Un Sistema De Captación De Polvos Sobre Una Mezcladora De Masa En Una ~" Industria De Alimentos Culinarios Deshidratados

4.3 Caudal necesario para desplazar el volumen requerido

Según Committee on industrial ventilation (1986), para encontrar el caudal necesario a desplazar, en los tres distintos tipos de diseño de campana: A. Campana aislada, B. campana con dos paredes laterales, C. campana con tres paredes tipo cabina.

Los pasos a seguir son los siguientes:

• Campana aislada tipo A. Dado:

1. Largo (L) de la campana igual a 4.92 pies 2. Ancho (W) de la campana igual a 3.21 pies 3. Alto (H) sobre el área un rango igual a 4 pies. 4. Formula 7 Q=1.4PHV Mínimo de CFM por pies cuadrado del área de

la cara de trabajo es de 50 CFM/ Pie2. Según tabla TTT (campana de extracción tipo isla) Formula 7.

p= perímetro H= altura V= velocidad de captura

5. Velocidad de captura entre 100 FPM - 200 FPM según tabla R (cabinas de atomizadores). Se toma 150 FPM como V (velocidad de captura).

6. Conducto adecuado a un extractor centrifugo entre

Formula 7 Q = 1.4 Px H x V 1.4 (2L+2W) (H)*V y no menor que 50(L*W)

Según tabla C que se encuentra en el apéndice 7

1.4 (2*4.92ft + 2*3.21ft)*4ft* 150 FPM = 13,658 CFM

50CFM/ft2 * (3.21 *4.92)ft2 = 790 CFM (como mínimo)

El caudal de 13,658 CFM implica un ventilador demasiado grande, costoso y ruidoso, sin dejar de mencionar un conducto y abertura de campana de 32" x 32" o su equivalente de 36", la cual ocupa mucho espacio y no permite el dimensionamiento de la campana para obtener 45° de pendiente sin dejar de mencionar la poca estética.

• Campana con dos paredes laterales tipo B. Dado:

1. Largo (L) de la campana igual a 4.92 pies 2. Ancho (W) de la campana igual a 3.21 pies 3. Alto (H) sobre el área un rango igual a 4 pies. (las paredes laterales

tiene este alto, desde 1 área de trabajo hasta el inicio de campana)

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Diseño De Un Sistema De Captación De Polvos Sobre Una Mezcladora De Masa En Una Industria De Alimentos Culinarios Deshidratados ;¡"' .

4. Formula 7.2, Q= (W+L) HV. Mínimo de CFM por pies cuadrado del área de la cara de trabajo es de 50 CFM/ Pie2. según tabla T'M'. (campana de extracción tipo isla) Formula 7.2.

W= ancho H= altura V= velocidad de captura

5. Velocidad de captura entre 100 FPM - 200 FPM según tabla R (cabinas de atomizadores). Se tomará 150 FPM como V.


(L+W)(H)*V y no menor que 50(L*W)


Formula 7.2 Q = (L+W) x H x V

(3.21 +4.92) ft*(4ft) (150FPM)= 4,878 CFM


El caudal de 4,878 CFM implica un ventilador moderado tanto en tamaño como en costo y ruido; el conducto y la abertura de campana de 19" x 19", o su equivalente de 22", ocupan regular espacio y dificulta en cierto grado el dimensionamiento de la campana para obtener 45° de pendiente; sin embargo, si es posible dimensionar una campana con mecanismo abatible para obtener dos paredes cerradas en el área de trabajo. Es oportuno hacer el cálculo para tres paredes tipo cabina para tomar una decisión.

• Campana con tres paredes tipo cabina tipo C. Dado:

1. Largo (L) de la campana igual a 4.92 pies 2. Ancho (W) de la campana igual a 3.21 pies 3. Alto (H) sobre el área un rango igual a 4 pies. 4. Formula 7.3, Q= LHV o WHV. Mínimo de CFM por pies cuadrado

del área de la cara de trabajo es de 50 CFM/ Pie2. según tabla TTT. (campana de extracción tipo isla) Formula 7.3.

P= perímetro H= altura V= velocidad de captura

5. Velocidad de captura entre 100 FPM - 200 FPM según tabla R (cabinas de atomizadores). Se tomara 150 FPM como V.


(L)(H)*V y no menor que 50(L*W)

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Formula 7.3 Q = Lx H x V

(4.92) ft*(4ft) (150FPM)= 2,952 CFM


El caudal de 2,952 CFM implica un ventilador pequeño tanto en tamaño como en costo y ruido; el conducto y la abertura de campana de 15" x 15", o su equivalente de 17", ocupa poco espacio y es más práctico en ducterías de extracción puntual. No hay problema para oqtener , los 45° de pendiente en la campana, siempre y cuando la campana cuente con un mecanismo abatible para las tres paredes que encerrarán el área de trabajo. Este es el mejor diseño ya que el caudal a desplazar es menor y con esto se ahorra espacio, material para la ductería, campana y tamaño del ventilador.

Se utiliza 3,000 CFM de caudal de diseño, se asume una velocidad de conducto de 2000CFM según tabla V (polvo liviano muy fino).

CFM/Vel. Conducto FPM = Pies2-> 3000cfm/2000fpm = 1.50ft2 de conducto requerido.

Aproximadamente 15"x15" o 17" de diámetro de conducto circular de área. Según gráfica CCC y gráfica EEE

4.4 Pérdidas de presión y Dimensionamiento de ductería

4.4.1 Presión estática de la campana

Según tabla C del apéndice 7, así como Pita (2000).

Pérdida en la entrada de la campana = 0.25 VP

Presión de velocidad en pulgadas de agua donde VP = (V /4005)2 = (2000/4005)2

Presión de velocidad VP = 0.249" de agua.

Donde C= 0.25 Pérdida = C x VP Formula 8

Pérdida entrada es 0.25*VP = 0.25*0.249= 0.062" de columna agua.

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Diseño De Un Sistema De Captación De Polvos Sobre Una Mezcladora De Masa En Una 'i.'., Industria De Alimentos Culinarios Deshidratados

4.4.2 Presión estática en el conducto

Conducto de acero inoxidable de 17" de diámetro. En la salida de la campana se acopla a un codo a 90° de 17" de diámetro y radio de 2.5 pies que se acopla a un tramo de conducto redondo de 17" de diámetro de 1.5 pies de largo (siempre de acero inoxidable), en donde se adaptará a un conducto de tela redondo de igual diámetro unidos por medio de una brida de fácil adaptación. Este conducto de tela con guías de alambre será de 5 pies de largo, seguido estará conectado por otra brida de fácil accionamiento a un conducto redondo de 17" de diámetro de acero inoxidable de 5.5 pies de largo el cual tendrá en su extremo un codo de 90° de 17" de diámetro y un radio de 2.5 pies, del cual descenderá un conducto redondo del mismo diámetro de 5 pies de largo. Éste doblará con un codo de 90° de iguales especificaciones al anterior, el cual estará unido a un. cond llcto redondo de igual diámetro de 5 pies; de igual forma se llega aun codo de 90° iguales especificaciones anteriores y un conducto redondeo recto de 5.5 pies de largo de 17" de diámetro, que al final se encuentra una ampliación de diámetro de 17" a 17.5" con un ángulo de convergencia de 50°, que es el adaptador a la entrada al ventilador. (Véase apéndice 2).

De la Gráfica CCC se obtiene los coeficientes de pérdida de los tramos a mencionar y la formula 9, Pérdida =pérdida "de agua/100ft * Longitud (ft)

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X Entrada 3000 0.25 0.249 0.062 Campana

A Codo 90° 17 2000 0.13 0.249 0.03 BC Conducto 3000 17 2000 0.3 1 0.03 CD conducto 3000 17 2000 0.3 5 0.015

flexible DF Conducto 3000 17 2000 0.3 5.5 0.016 G Codo 90° 17 2000 0.13 0.249 0.03 GH Conducto 3000 17 2000 0.3 5 0.015 1 Codo 90° 17 2000 0.13 0.249 0.03 IJ Conducto 3000 17 2000 0.3 4 0.012 K Codo 90° 17 2000 0.13 0.249 0.03 KL Conducto 3000 17 2000 0.3 5.5 0.016 M Reductor 0.06 0.249 0.015 N Succión 3000 13.5 2000 0.25 0.249 0.062

Ventila. Pérdida total de presionen el sistema 0.363

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Diseño De Un Sistema De Captación De Polvos Sobre Una Mezcladora De Masa En Una Industria De A!imentos Culinarios Deshidratados

A esto se le adiciona una transición de 28 1/4" x 38 5/8" a 15" x 15", en el cual se acopla un conducto de iguales dimensiones y 16 pies que se utiliza como conducto de descarga en forma vertical con un codo de 90° y 2.5 pies de radio con una rejilla metálica para evitar ingreso de impurezas.

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38.6 O Reductor 28.2 2000 0.12 0.249 0.03

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OP Conducto 3000 15 x 2000 0.3 16 0.048 15

Q Codo 90° 3000 15 x 0.13 0.249 0.03 15

R Rejilla 0.2 0.249 0.05 Pérdida total de presionen el sistema 0.22

Suma parcial 0.363" + 0.22" da igual a 0.583"

La pérdida producida por el filtro de bolsa que se instala en la entrada del ventilador según el fabricante es de 0.35" dando como suma total 0.583"+.40" da igual a 0.953" de columna de agua. (Apéndice 7).

Se toma una pérdida de presión total de 1 "de columna de agua para la selección del equipo. Siempre se toma un número superior al obtenido para este efecto.

4.5 Selección de Equipo

Se recomienda utilizar la descarga de aire hacia arriba, nunca hacia abajo. Para seleccionar el ventilador es necesario el caudal de diseño Q, y la presión estática SP de la resistencia de la ductería y flitros. En este caso, el caudal de diseño Q es de 3,000 CFM y la pérdida del sistema o presión estática de diseño es de 1 pulgada de columna de agua. Buscando en la tabla y gráfica en el apéndice 3 proporcionada por el fabricante, en la cual se selecciona un caudal determinado y pérdida de presión, se encuentra el tamaño del motor y sus revoluciones por minuto, de igual forma las dimensiones del equipo.

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Diseño De Un Sistema De Captación De Polvos Sobre Una Mezcladora De Masa En Una ;,¡ : , Industria De Alimentos Culinarios Deshidratados 1.,,,.

Si se utiliza la gráfica debe recordarse nunca utilizar los valores que estén en él limite así como los valores que caen en el lado izquierdo de la gráfica; solo el derecho.

En este trabajo se selecciona un ventilador centrífugo con poleas por las siguientes razones:

1. Los centrífugos son los ventiladores que manejan caídas de presión elevadas y comúnmente utilizados en las campanas de extracción por las pérdidas ocurridas. Los SWB, ventiladores centrífugos para alta presión, (nomenclatura empleada por el fabricante Greenheck) manejan caídas de O" a 2.5" de columna de agua.

2. Los ventiladores con poleas y fajas, pueden manejar caudales elevados de aire sin aumentar considerablemente el diámetro del blower y aumentar tamaño y costo. Los SWB manejan caudales · de 500 CFM a 25,000 CFM.

3. Los ventiladores con poleas y fajas, tienen menos factor de ruido qu e los de acoplamiento directo, ya que el motor puede ser de menor tamaño y compensarse con el juego de poleas. Logrando un decibel aceptable dentro de la zona de trabajo la cual esta en 60.87 dB.

4. Si es posible, se puede seleccionar la abertura de entrada o de succión del ventilador acorde al tamaño de conducto que se maneja; en este caso el conducto es de 17" de diámetro y la abertura d e succión del ventilador es de 17.5" para lo cual la pérdida en la transición es casi nula.

5. Estos ventiladores pueden solicitarse al fabricante según las características eléctricas que se requieran: 220 Volt/ 1 fase/ 60 Hz. 220 Volt/ 3 fases/60 Hz; 480 Voltios/ 3 fases/ 60 Hz.

(Véase apéndice 3).

4.6 Diseño del mecanismo de soporte

El modo de llenado de este producto es por medio de una tolva que se desplaza horizontalmente sobre un riel manejado por un polispasto. Ésta deposita la materia prima por medio de la gravedad, situándose justamente encima de la mezcladora vertiéndola y terminado la cantidad necesaria es retirada a su posición inicial, y por eso no es posible instalar una campana de extracción fija sobre la mezcladora. Es necesario diseñar una campana de extracción con mecanismo para tres paredes latera les movible es decir que se pueda situar sobre el área de trabajo cuando se vierte las especies accionado manualmente por el operador y luego remover la campana para cuando pase la tolva de llenado.

Disefio De Un Sistema De Captación De Polvos Sobre Una Mezcladora De Masa En Una Industria De Alimentos Culinarios Des~'lidratados

Para lograrlo, la campana consta de dos rieles paralelos, perpendiculares a la mezcladora, montados sobre una estructura de acero inoxidable instalada en el techo a 2.3mt de altura sobre el nivel del suelo donde está parado el operador a la hora de su operación. Debe estar a una distancia de 1.5 mts al costado de la mezcladora. La campana tendrá un movimiento lineal de izquierda a derecha; izquierda sobre el área de trabajo y derecha a 1.5 desfasado del centro gráfico de la mezcladora, para darle paso libre a la tolva de llenado del producto principal para cuando pase sobre el riel. (Véase Apéndice 2).

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.MARCO V: DISCUSIÓN

5.1 Conclusiones

• Para poder determinar las especificaciones técnicas de una campana de extracción se deben conocer condiciones de operación tanto del área de trabajo como la altura disponible sobre la misma. Es decir, dimensiones del área de trabajo, altura para colocar la campana y con esto poder determinar el diseño de la campana.

• Se debe seleccionar las velocidades de captura de aire viciado, entre rangos sugeridos (según su aplicación) por las tablas empleadas por varios fabricantes e ingenieros dedicados a la

. ventilación industrial. De la misma forma seleccionar la velocidad del aire dentro del conducto entre distintos rangos, según sea su aplicación.

• Para determinar los caudales necesarios a desalojar sobre dichas áreas de trabajo es de vital importancia la forma de la campana o la forma a extraer el aire, ya que se puede observar que los distintos tipos de éstas, tiene diferentes fórmulas para encontrar el caudal.

• Diseñar una campana de extracción tipo cabina, el caudal disminuye y por ende las dimensiones de las ducterias y el tamaño del ventilador, logrando con esto un sistema más eficiente y económico. Esto es posible, ya que la conducción del aire viciado es orientada por la cabina en sí, evitando que se escape hacia el exterior y dirigiéndose hacia donde está la abertura de extracción, facilitando el trabajo.

• La uti1ización de tablas y gráficas para los conductos facilita el trabajo de diseño, sin embargo las tablas no son más que varios cálculos ordenados en una gráfica, ya que si se desea hallar las dimensiones de las áreas, conforme un caudal y una velocidad se puede realizar en base a la fórmula universal Caudal = Velocidad x Área (formula 1).

• Es posible evitar una campana fija. Realizando un sistema que tenga movimiento sobre el área de trabajo, así como una campana de extracción con paredes laterales, en forma de cabina. Por los inconvenientes del movimiento de la tolva de llenado.

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5.2 Recomendaciones

• Se recomienda dar información al fabricante sobre la altura por encima del nivel del mar, donde se ubicará el ventilador. Esto se debe a que la presión barométrica afecta el rendimiento de los ventiladores.

• Las uniones de los conductos deben ser por medio de flanges o bridas para poder realizar limpieza interna en las secciones correspondientes.

• Es posible realizar el trabajo de captación de polvos sobre la mezcladora, reduciendo el área de trabajo o en su defecto el tamaño de la campana, para minimizar tamaño del sistema.

• La campana de extracción tipo isla, sin paredes, necesita un caudal considerablemente alto; para poder extraer todo el polvo que se movilice sobre el área de trabajo y contrarrestar las corrientes naturales del recinto. Si se cuenta con el espacio necesario y los recursos para montar este sistema funcionará de manera adecuada. Sin embargo se recomienda, si es posible, emplear paredes laterales ya sea con dos paredes laterales disminuye el caudal inicial en un 640/0 y con tres paredes tipo cabina disminuye en un 780/0 del caudal inicial.

• Al necesitar un ventilador de menor dimensionamiento y caballaje de motor, se logra una reducción de ruido y de costo. Esto es requerido ya que este sistema de captación de polvos puede y debe ser empleado también sobre las otras tres mezcladoras, mientras más pequeño y eficiente sea el sistema mucho mejor para la empresa.

• Si el fabricante desea recuperar el polvo extraído y depositarlo en algún almacenamiento, puede hacerse por un sistema llamado ciclón.

• Se recomienda colocar empaques perimetrales en la parte que sella la tapadera original con la mezcladora; ya que por estas fisuras se escapa la materia prima en el inicio de la mezcla.

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REFERENCIAS BILIOGRAFICAS

1. Burgess H. Jennis & Samuel R. Lewis "Aire Acondicionado y Refrigeración" (lera edición) México: Editorial Continental.

2. Cabarrus, C (1988) "Programa de Eliminación del Polvo Ambiental en una Industria de Pisos de Granito", (Tesis) Guatemala, Universidad Rafael Landivar.

3. Cabrera, R (2003) "Dimensionamiento de Caldera y Diseño de la Red para una Lavandería de Tipo Industrial" (Tesis), Guatemala, Universidad Rafael Landivar.

4. Committee on industrial ventilation, (1986) "Industrial Ventilation" (19th edition) U .S.A, ACGIH.

5 . Gomes, C (1991) "Sistemas de Evacuación y Ventilación para ambientes con alta Concentración de polvos" (Tesis), Guatemala, Universidad de San Carlos.

·6. Paz, O (1988) "Extracción e inyección de aire en una Industria Farmacéutica de áreas asépticas" (Tesis) Guatemala, Universidad Rafael Landivar.

7. Pita, Edward (2000) "Acondicionamiento de Aire" (2da edición) México: Editorial Continental.

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ANEXOS

Anexo 1.

AMCA Alr Movement and Control Association Intemationallnc

Es una asociación internacional no lucrativa que sirve a la industria y al público desde 1917.

Una de las funciones más importante de AMCA es operar los diversos programas de certificación.

Apoyando estos programas, la AMCA mantiene productos independientes mediante pruebas y examines de laboratorios en una escala internacional.

Los programas de certificación proveen al comprador, especificaciones y al usuario de sistemas mecánicos de aire asegurando que los manufactureros publicarán los datos necesarios del equipo y su desenvolvimiento; fueron examinados y probados y sobre todo verificados.

Los componentes de los sistemas de aire pueden tener su evaluación de certificación para:

Fugas de aire Fugas de aire y conformación de aire Desenvolvimientos de aire Estaciones de medición para flujos de aire Caudales en CFM/ Watt Ventiladores de presión positiva Silenciadores prefabricados, sonidos Sonidos y conformación de aire Penetración de agua

Los programas de certificación incluyen presentaciones de distintos rangos como son:

Silenciadores de conductos acústicos Unidades de cortinas de aire Estaciones de medición de flujos de aire Turbinas para aire Ventiladores de circulación Compuertas de conductos Serpentinesevaporativos Ventiladores Rejillas de inyección de aire (Louvers) Ventiladores de presión positiva

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Diseño De Un Sistema De Captación De Polvos Sobre Una Mezcladora De Masa En Una i¡N;. Industria De Alimentos Culinarios Deshidratados

ASHRAE

• La Sociedad Americana de Ingenieros en Calefacción, Refrigeración y Aire Acondicionado, ASHRAE, es una organización internacional de más de 50,000 personas con capítulos alrededor del mundo.

• La Sociedad está organizada con el solo propósito de promover el avance de las artes y las ciencias de la calefacción, ventilación, aire acondicionado y refrigeración para el beneficio público a través de la investigación, la elaboración y publicación de estándares, educación continua y publicaciones.

• Todo se hace a través de membresía. ASHRAE® escribe estándares que establecen métodos uniformes de prueba y desempeño de equipo y estableciendo procedimientos y prácticas para la industria del HVAc&R en el ámbito mundial, tales como el diseño de los edificios inteligentes.

• El programa de investigación, actualmente cuenta con más de 100 proyectos en activo, con un costo superior a los $8 millones de dólares, se investigan diferentes áreas, tales como la de identificar los refrigerantes que son amigables con el ambiente.

• ASHRAE® organiza programas técnicos para su presentación durante sus reuniones y es copatrocinador de la Exposición Internacional de Aire Acondicionado, Calefacción y Refrigeración, que es lla más grande de norte América.

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Disefio De Un Sistema De Captación De Polvos Sobre Una Mezcladora De Masa En Una ", Industria De Alimentos Culinarios Deshidratados ,¡;."

Anexo 2 Glosario

• Aire Exhaustado: Aire que ha sido utilizado totalmente para varios fines, de donde puede venir el nombre de aire agotado. (Gomes, 1991).

• Caballos de fuerza: Los caballos de fuerza (Hp) que se requieren en potencia en el motor eléctrico del ventilador. Esto incluye las perdidas de energía en el ventilador y puede determinarse solo por los exámenes experimentales de los ventiladores. (Gomes, 1991).

• Campana de Extracción: Unidad succionadora de aire con forma diseñada para capturar aire contaminado y conducirlo al sistema de extracción por medio de un conducto.

• Conductos: Tubos que sirven para dar paso a diferentes materias, el cual puede ser aire. (Gomes, 1991). '

• Filtros de Aire: Elemento de limpieza del aire que remueve las partículas livianas cargadas en una atmósfera normal de aire antes de introducirlo dentro de un recinto.

• Flujo axial: Movimiento del aire en dirección a su eje. (Pita, 2000)

• Flujo Radial: Movimiento del aire en dirección a su radio. (Pita, 2000)

• Turbulencia: Movimiento del aire en forma brusca y desordenada. • Manómetro: Instrumento para la medición de presiones,

esencialmente un tubo ahusado parcialmente lleno con liquido, usualmente agua, mercurio o aceite liviano, construidos para determinar por el desplazamiento del liquido indica la presión recibida por el instrumento. (Gomes, 1991).

• Polucionado: Derramamiento de partículas de manera involuntaria, las cuales son las causantes de la contaminación ambiental. (Gomes, 1991).

• Polvo: Pequeñas partículas sólidas creadas por el rompimiento de una partícula de mayor tamaño, debido al proceso de manufactura de arranque de viruta (taladrado, tamizado, roscado, pulido, etc.) Partículas de polvo creadas en los procesos y erosión son mezcladas en el aire y se ocupan el volumen de un ambiente. (Gomes, 1991).

• Presión Estática: Es la presión que tiene el fluido en reposo. Presión potencial ejercida en todas las direcciones de cualquier fluido en reposo. Usualmente expresada en pulgadas de columna de agua cuando se trata de aire. (Pita, 2000)

• Presión Total: Es la suma algebraica de la presión de velocidad y la presión estática. (Pita, 2000)

46


• Presión de Velocidad: La velocidad cinética en dirección del fluido necesaria para causar que un fluido en reposo fluya a una velocidad dada. Usualmente expresada en pulgas de columna de agua. (Pita, 2000)

• Pulgadas de Columna de agua: Unidad de presión igual a la presión ejercida por una columna de agua liquida de una pulgada de altura a una temperatura estándar. (Pita, 2000)

• Velocidad de Captura: Es la velocidad del aire en cualquier punto enfrente de la campana de extracción o succionador, necesaria para sobrepasar la corriente del aire opuesta y capturar el aire contaminado introduciéndolo dentro de la campana y conducirlo en el conducto.

• Velocidad de Diseño Mínima en el conducto: Velocidad mínima del aire requerida para mover las partículas en la corriente de aire. Usualmente se dan en pies por minuto.

• Zona de confort: Es el rango efectivo de temperatura donde la mayoría de personas adultas se sienten en confort. (Pita, 2000)

47

Apéndice 1

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Apéndice 2

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50

Disefto De Un Sistema De Captación De Polvos Sobre Una Mezcladora De Masa En Una Industria De Alimentos Culinarios Deshidratados

Cont / apéndice 2

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Apéndice 3

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11

Fuente: Greenheck.com (2004)

52

ulsefio De Un Sistema De Captación De Polvos Sobre Una Mezcladora De Masa En Una Industria De Alimentos Culinarios Deshidratados

Apéndice 4

Coeficientes de Pérdida en Conexiones y transiciones

A. Codo de radio (troquelado', redondo

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Fuente : Pita (2000)

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53

Diseño .,'

De Un Sistema De Captación De Polvos Sobre Una Mezcladora De Masa En Una Industria De Alimentos Culinarios Deshidratados

Cont/ Apéndice 4


D. Codo d. ángulo. rectllnyul¡u

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Cont/ Apéndice 4 Fuente: Pita (2000)

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55

Diseño De Un Sistema De Captación De Polvos Sobre Una Mezcladora De Masa En Una . Industria De Alimentos Culinarios Deshidratados

Cont/ Apéndice 4


A. Contracción. Redonda y rectangular, gradual a abrupta

Coeficiente C (ver natal

A. fI A" A

1 O' 15' ·40" 50"·60" 90' 120' 1 50' 180'

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"- 6 0.05 004 0.07 0.18 028 036 042 - -"," !

A~ 10 0.05 0.05 0.08

L 0.19 0.29 0 .37 043

A A

Cuando e = 1800

Nota: A! = área d~ la corriente que entra, A = área de la corriente que sale

Fuente: Pita (2000)

56


Apéndice 5

Tabla EEE Coeficientes de pérdida en la entrada y salida del ventilador

Longitud del

dueto de entrada

CoefICiente C de pérdidas

Longitud de la entrada, en diámetros

R/D O 2D 5D

0.75 1.6 0.8 0.4 1.0 1.3 0.7 0.3 2.0 1.2 0.5 0.25 3.0 0.7 0.4 0.20

Instalación adecuada en la entrada o salida del ventilador

P~RDIDAS DE PRESIÓN EN SISTEMAS DE DueTOS

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V } . ~/ RID '" 2.0 -Ventilador Ventilador

(b)


57


Apéndice 6

Guía de Instalación en la entrada o salida del ventilador

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Fuente: Greenheck.com (2004)

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Fuente Comité on Industrial Ventilation ( 1986) 59

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Apéndice 8 Filtros de Bolsa para evitar polvos.

VAMSACAP

FILTROS VAMSA CAP

El filtro tipo

VAMSA Cap es una unidad filtrante comercial, de baja eficiencia (30· 35%), fabricado con media filtrante

Datos Técnicos sintética con propiedad no higroscópicas, es decir, ne absorbe ni libera humedad, aún en el ambiente más extremoso.

El filtro tipo VAMSA Cap se puede fabricar con media filtrante lavabl· o desechable y en espesores de una o dos capas, para darle mayor capacidad de retención de polvo.

Si su aplicación lo requiere, la media filtrante puede impregnarse de aceite soluble al agua.

USOS

Se recomienda su uso en lugares con alta concentración de polvo atmosférico, cenizas y partículas mayores de 10 micrones.

Es ideal en instalaciones donde sea necesario un pre-filtro, con el fin de prolongar la vida de otros filtros d mayor eficiencia, cuyos costos son, en consecuencia, mayores.

SUGERENCIAS El sistema óptimo para garantizar la pureza del aire consiste en instalar un banco de filtros en la forma siguiente: * Metálico (tipo VAMSA MET.)

. * Desechable (tipo VAMSA GLASS.) * De Bolsa (tipo VAMSA PAK 50% de Eficiencia.) * De Alta Eficiencia (tipo VAMSA PAK o VAMSA CELL 95% de Eficiencia.) *1f-IEPA (tipo VAMSA MICRO FLO 99.97% de Eficiencia.)

Datos de Operación 1" Resistencia Inicial Eficiencia Promedio Velocidad de Flujo Resistencia Final Recomendada

Espesor

0.7 75%

500 PPM 0.35 WG

2" 0.1

85% 500 PPM OS' WG

Con la finalidad de prolongar la vida útil del filtro de bolsa tipo VAMSA Cap, se sugiere utilizar previamente un filtro metálico (tipo VAMSA Met), de alta eficiencia y baja resistencia, o un f:tltro desechable con marco de cartón y media filtrante de fibra de vidrio.

Los f:tltros VAMSA Cap se fabrican en profundidades de 6,9 Y 15 pulgadas, o bien, sobre pedido, con las medidas requeridas por sus necesidades de operación.

Fuente: vamsa.com (2004)

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Diseño De Un Sistema De Captación De Polvos Sobre...

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