Equipos de Ventilación VF

Tecnologías de Producción Industrial 1

Universidad de Talca Facultad de Ciencias Forestales Departamento de Gestión Forestal Ambiental Magíster en Gestión Ambiental Territorial

Equipos de Ventilación

Profesor: Dr. Gonzalo Salinas Salas

Alumna: Carla Aguirre Jofré

Ingeniero Civil en Obras Civiles

Ramo: Tecnologías de Producción Industrial

Fecha: Jueves 6 de Septiembre de 2012



Índice

1. Introducción ............................................................................................................................................. 3

2. Objetivos .................................................................................................................................................. 4

3. Ventilación ................................................................................................................................................ 5

3.1. Tipos de ventilación ................................................................................................................................ 5

3.1.1. Ventilación natural ...................................................................................................................... 6

3.1.2. Ventilación forzada ..................................................................................................................... 6

4. Parámetros implicados en los estudios de ventilación ..................................................................... 6

5. Aplicaciones de la ventilación en función del uso del edificio .......................................................... 7

5.1. Ventilación en cuartos húmedos (aseos, cocinas, etc.) ............................................................ 7

5.2. Ventilación natural y forzada en garajes ..................................................................................... 7

5.3. Ventilación en edificios de altura .................................................................................................. 8

5.4. Ventilación en cocinas ................................................................................................................... 8

6. Ventiladores y Extractores..................................................................................................................... 9

6.1. Ventiladores Axiales ....................................................................................................................... 9

6.2. Ventiladores Centrífugos ............................................................................................................... 9

6.3. Selección de Ventiladores ........................................................................................................... 11

6.4. Curva característica del ventilador ............................................................................................. 12

6.5. Leyes de los Ventiladores ........................................................................................................... 14

7. Criterios para determinar el tipo de ventilación a utilizar. ............................................................... 16

8. Conclusiones y Comentarios .............................................................................................................. 17

9. Bibliografía ............................................................................................................................................. 18



1. Introducción

La renovación del aire en cualquier local ocupado es necesaria para reponer el oxígeno y evacuar los subproductos de la actividad humana, o del proceso productivo, tales como el anhídrido carbónico, el exceso de vapor de agua, los olores desagradables u otros contaminantes. Debe entenderse siempre que la ventilación es sinónimo de renovación o reposición de aire sucio o contaminado por aire limpio, por ejemplo, un sistema de climatización con una recirculación del aire al 100% no puede considerarse como un sistema de ventilación. Para medir o especificar la ventilación de un recinto hay que indicar el volumen de aire que se renueva en la unidad de tiempo en m3/s, m3/h o l/s. Lo más común es referir el volumen de aire que se renueva por ocupante y unidad de tiempo (cociente entre el caudal y el número de ocupantes del local) o por unidad de superficie y unidad de tiempo (cociente entre el caudal y los metros cuadrados de superficie del local). La ventilación de un local puede ser natural o forzada. Se habla de ventilación natural cuando no hay aporte de energía artificial para lograr la renovación del aire, comúnmente, la ventilación natural se consigue dejando aberturas en el local (puertas, ventanas, lucernarios, etc.), que comunican con el ambiente exterior. La ventilación forzada utiliza ventiladores para conseguir la renovación. En el caso de la ventilación natural, las diferencias de temperatura entre el exterior y el interior y los efectos del viento son el origen de las fuerzas que ocasionan el movimiento del aire necesario para lograr la ventilación. En función de estas fuerzas, y de la superficie, orientación y situación de las puertas y ventanas es posible lograr tasas de ventilación muy importantes. En general la ventilación natural es suficiente cuando en el local no hay más focos de contaminación que las personas que lo ocupan. El principal inconveniente de la ventilación natural es la dificultad de regulación, ya que la tasa de renovación en cada momento depende de las condiciones climatológicas y de la superficie de las aberturas de comunicación con el exterior. La ventilación forzada elimina este problema y la tasa de ventilación es perfectamente ajustable y controlable, en contrapartida consume energía eléctrica. Otra ventaja de la ventilación forzada frente a la natural es que puede ser aplicada en locales tales como sótanos o locales interiores de edificios, que no tienen comunicación directa con el exterior y que, por tanto, su ventilación sólo puede lograrse mediante conducciones a través de las cuales se fuerza el paso del aire mediante ventiladores.



2. Objetivos

1. Definir los tipos de ventilación existentes y utilizados para resolver problemas de

renovación de aire.

2. Identificar las variables y parámetros fundamentales para el cálculo de un sistema

de ventilación.

3. Distinguir y clasificar los tipos de soluciones de ventilación de acuerdo al destino de

uso.

4. Clasificar los equipos de ventilación, centrándose principalmente a lo referente a

ventiladores.

5. Conocer el funcionamiento de los equipos de ventilación.

6. Determinar el sistema de ventilación más apropiado para un caso en particular.



3. Ventilación

La ventilación es la técnica que permite sustituir el aire interior de un local, considerado inconveniente por su falta de pureza, temperatura inadecuada o humedad excesiva, por otro exterior de mejores características. El sistema de ventilación permite cambiar, renovar, y extraer el aire interior de un recinto y sustituirlo por aire nuevo del exterior. Existen dos formas de calcular el caudal de aire necesario para un local basadas en:

El número de ocupantes y a razón de 7,5 l/s por persona (en casos en que no

exista polución ajena a las personas).

El número de renovaciones por hora en función de la actividad que se desarrolle en

el edificio.

En la actualidad más del 50% de los intercambios de energía, entre un edificio y su entorno, se producen por la renovación de aire.

3.1. Tipos de ventilación

La ventilación de un local puede ser natural o forzada. Se habla de ventilación natural (Figura 3.1.) cuando no hay aporte de energía artificial para lograr la renovación del aire. La ventilación forzada utiliza ventiladores para conseguir la renovación.

Figura 3.1.- Ventilación Natural



3.1.1. Ventilación natural

Es la que emplea la fuerza del viento y las diferencias de temperatura para lograr el movimiento del aire. Sus principios básicos son: la diferencia de altura, diferencia de temperatura, acción del viento, carga térmica.

3.1.2. Ventilación forzada

Queda asegurada empleando ventiladores y extractores, cuya ejecución es o bien de tipo individual (viviendas, pequeños centros comerciales, etc.), y de tipo colectivo (escuelas, hoteles y grandes centros comerciales, etc.).

4. Parámetros implicados en los estudios de ventilación

Los sistemas de ventilación se dimensionan y caracterizan, mediante el análisis de los siguientes parámetros:

El caudal, es el volumen de aire movido por un ventilador por unidad de tiempo,

sus unidades son m3/h o m3/s.

Presión estática, es la porción de la presión de aire debida solamente al grado de

compresión del mismo, al margen de la dirección y el sentido de la velocidad.

Presión dinámica, es la porción de la presión de aire debida solamente

al movimiento del aire, equivale a la transformación de la energía cinética en

energía de presión.

Presión total, es la presión debida al grado de compresión del aire y a

su movimiento.

Grado de humedad del ambiente, es la relación entre la cantidad de vapor de

agua contenido en el aire y la máxima cantidad que podría contener a esa

temperatura. La necesidad de controlar niveles de humedad del aire dentro de los

límites establecidos como confortables lleva, en ocasiones, a la utilización de

sistemas de humidificación del aire.



5. Aplicaciones de la ventilación en función del uso del edificio

Los sistemas de ventilación en los diferentes ambientes deberán diseñarse de modo que el aire se distribuya uniformemente en la zona ocupada.

5.1. Ventilación en cuartos húmedos (aseos, cocinas, etc.)

La ventilación mecánica mejora las condiciones de habitabilidad asegurando el

barrido de los Contaminantes, además proporciona medios para recuperar la

energía del aire extraído, antes de ser expulsado, con una rentabilidad térmica

alta. Desde el punto de vista de eficiencia energética es importante que el caudal

extraído sea el mínimo, ya que debe ser sustituido por aire exterior que

naturalmente debe ser calentado y/o refrigerado.

5.2. Ventilación natural y forzada en garajes

Disponen de ventilación natural o forzada para la evacuación de los humos. El

sistema impedirá y garantizará que no se alcancen niveles peligrosos

de monóxido de Carbono (C0).

Figura 5.1. Ventilación Natural



5.3. Ventilación en edificios de altura

Los huecos de escalera en los edificios de varias plantas (hoteles, oficinas, etc.)

deben mantenerse presurizados y además se intentará evacuar los humos de la

combustión de modo natural, por medio de claraboyas ubicadas en la parte

superior.

5.4. Ventilación en cocinas

En cocinas industriales (hoteles, escuelas) y domésticas, el sistema de conductos

es independiente de toda extracción o ventilación y exclusivo para cada local o

cocina.

El caudal que debe extraer tiene que diluir los polulantes desprendidos en la

cocción, los gases, y de los focos de calor. Siempre se asegura la depresión para

evitar que los olores invadan el resto de las estancias.

Figura 5.2. Ventilación en Cocinas



6. Ventiladores y Extractores

Para mover el aire a través de una extracción localizada o un sistema de ventilación general de un local es necesario aportar energía para vencer las pérdidas de carga del sistema. En la gran mayoría de los casos el aporte de energía proviene de máquinas denominadas ventiladores. Los ventiladores son las máquinas más usadas para producir el movimiento del aire en la industria. Su funcionamiento se basa en la entrega de energía mecánica al aire a través de un rotor que gira a alta velocidad y que incrementa la energía cinética del fluido, que luego se transforma parcialmente en presión estática. Se dividen en dos grandes grupos: los ventiladores axiales y los ventiladores centrífugos.

6.1. Ventiladores Axiales

En los ventiladores axiales, el movimiento del flujo a través del rotor, con álabes o palas de distintas formas, se realiza conservando la dirección del eje de éste (ver Figura 6.1). Se usan para mover grandes cantidades de aire en espacios abiertos; como la resistencia al flujo es muy baja, se requiere generar una presión estática pequeña, del orden de los 5 a 25 milímetros de columna de agua (mmcda). Debido a esto, la principal aplicación de los ventiladores axiales se encuentra en el campo de la ventilación general y se los conoce con el nombre de extractores o inyectores de aire. Sin embargo, este tipo de ventiladores, cuando se los construye con álabes en forma de perfil de ala y de paso variable, llegan a generar alturas de presión estáticas del orden de los 300 milímetros de columna de agua (mmcda) y se los usa en aplicaciones diversas.

6.2. Ventiladores Centrífugos

En estos ventiladores el aire ingresa en dirección paralela al eje del rotor, por la boca de aspiración, y la descarga se realiza tangencialmente al rotor, es decir que el aire cambia de dirección noventa grados (90 °) (ver Figura 6.2). Este tipo de ventiladores desarrolla presiones mucho mayores que los ventiladores axiales, alcanzando presiones de hasta 1500 milímetros de columna de agua (mmcda) y son los empleados, mayormente, en los sistemas de ventilación localizada. El principio de funcionamiento de los ventiladores centrífugos es el mismo del las bombas centrífugas. Están constituidos por un rotor que posee una serie de paletas o álabes, de diversas formas y curvaturas, que giran aproximadamente entre 200 y 5000 rpm dentro de una caja o envoltura.



Figura 6.1.- Ventiladores Axiales



Figura 6.2.- Ventiladores Centrífugos

6.3. Selección de Ventiladores

La selección de un ventilador consiste en elegir aquel que satisfaga los requisitos de caudal y presión con que debe circular el aire, para la temperatura de la operación y la altitud de la instalación y además se debe determinar su tamaño, el número de revoluciones a las que debe girar el rotor, la potencia que debe ser entregada a su eje, el rendimiento con el que funciona, la disposición de la transmisión, el ruido generado, etc. Los fabricantes de los ventiladores proporcionan la información necesaria para realizar una correcta selección. Todos los ventiladores que entre sí poseen medidas proporcionales, o sea que son semejantes, pertenecen a una misma “SERIE”.



6.4. Curva característica del ventilador

El ensayo de ventiladores tiene por objeto determinar la capacidad del aparato para transferir la potencia al aire que mueve. El ventilador se hace funcionar a un régimen de giro constante, tomando valores de diferentes caudales movidos, según sea la perdida de carga que debe vencerse. La curva característica de un ventilador se obtiene dibujando en unos ejes de coordenadas los distintos valores caudal-presión, obtenidos mediante ensayo en un laboratorio. Para entender mejor el concepto de curva característica se analizará el siguiente ejemplo: Supongamos un ventilador tubular trabajando según indica la posición a) de la fig. 6.3. Al medir el caudal de aire que proporciona, encontramos Q1 = 10.000 m3/hora. Si repetimos el ensayo empalmando un conducto de 10 m por el lado de admisión (posición b) y medimos de nuevo el caudal, nos encontramos con que ha bajado a Q2 = 8.000 m3/hora. En otro ensayo, acoplamos un tubo de 50 m de longitud (posición c), y comprobamos que el caudal ha descendido a Q3 = 5.000 m3/hora. Las experiencias anteriores nos demuestran que no es suficiente conocer el caudal que es capaz de suministrar un ventilador a descarga libre (posición a), esto es, sin obstrucciones, para poder catalogarlo. Es necesario conocer que caudales ira proporcionando según sean las distintas perdidas de carga que deba vencer. En la fig. 6.3 está representada una curva característica de un ventilador. Observemos en primer lugar en la figura curvas diferentes. Cada una de ellas representa un valor distinto y su lectura se hace en las diferentes escalas que están a la izquierda de la figura. Tres están relacionadas con la presión que da el ventilador para distintos caudales (son las denominadas Pt, Pe, Pd). Pe: es la Presión Estática Pd: es la Presión Dinámica (debido a la velocidad) Pt: es la Presión Total Cumpliéndose en todo momento

Pt = Pe + Pd A descarga libre, es decir cuando la Presión Estática (Pe) es nula, el ventilador da el máximo caudal que puede mover; en este punto la Presión Total es igual a la Dinámica (Pt = Pd). Asimismo, cuando el ventilador esta obturado, es decir que da el mínimo caudal, la Presión Dinámica (Pd) es nula; en este punto, la Presión Total es igual a la Estática (Pt = Pe).



Otra curva que podemos ver en el grafico es: la curva de potencia absorbida (W), que leeremos en la escala vertical situada más a la izquierda (en watios). Esta curva nos da la potencia que consume el motor que acciona el ventilador, y podemos ver que presenta un máximo (en la figura corresponde al punto de caudal 3.000 m3/h). También tenemos representada la curva de rendimiento (η), que se lee en % en la escala vertical intermedia, Se puede ver que el rendimiento del ventilador depende del caudal que está moviendo.

Figura 6.3.- Curva Característica

El conjunto de estas curvas recibe el nombre de característica de un ventilador. La característica de un ventilador es la mejor referencia del mismo, ya que siempre nos indicara su comportamiento según sea el caudal y la presión que esté dando. En los catálogos comerciales, suele darse solamente una curva, que es la de mayor importancia la de Presión Estática (Pe). Los servicios técnicos suministran más información si se les



solicita. El punto ideal de funcionamiento del ventilador, aquel para el que ha sido diseñado, es el correspondiente al máximo rendimiento. Cuanto más cerca de este punto trabaje el ventilador, más económico será su funcionamiento. El punto R de la fig. 6.3 se conoce como punto de desprendimientos, y la zona a la izquierda de este es de funcionamiento inestable. Debe, por tanto, escogerse el ventilador de manera que el punto de trabajo este a la derecha de R; de esta manera se evita la inestabilidad de funcionamiento. En la Figura 6.4 Se han representado las curvas características de los tipos fundamentales de ventilación, para poder comprender mejor su comportamiento. Los tres ventiladores que se comparan tienen el mismo diámetro de rodete. Podemos ver que, a igualdad de caudal impulsado (Q), los ventiladores centrífugos dan más presión que los helicentrifugos, y estos a su vez más que los helicoidales. También se observa que, los centrífugos mueven caudales menores que los helicocentrifugos, y estos menos que los helicoidales. Por tanto, puede aceptarse que los ventiladores más adecuados cuando los caudales sean grandes y las presiones que deban vencer sean pequeñas son los helicoidales. Este tipo de ventilador tiene además la ventaja de la facilidad de instalación. Los ventiladores indicados para mover caudales pequeños pero a elevada presión son los centrífugos; finalmente, un caso intermedio es el de los ventiladores helicocentrifugos.

Figura 6.4.- Curva Característica según tipo de ventilador

6.5. Leyes de los Ventiladores

Las curvas características de los ventiladores siguen ciertas leyes, llamadas leyes de los ventiladores, que permiten determinar como varían caudal, presión y potencia absorbida



por el ventilador al variar las condiciones de funcionamiento. Nosotros aplicamos estas leyes en el caso de la variación de velocidad de giro del ventilador: El caudal es proporcional a la relación de velocidades:

Q2 = Q1 * (n1/n2) La presión es proporcional al cuadrado de la relación de velocidades:

P2 = P1 * (n1/n2)2 La potencia absorbida es proporcional al cubo de la relación de velocidades:

N2 = N1 * (n1/n2)3∙ La tabla 6.1 reúne las leyes agrupadas en función de tres variaciones. Mediante las relaciones anteriores podemos conocer los valores que toman las diferentes variables para diferentes regímenes de giro del ventilador. Variando la velocidad de este podemos conseguir que el caudal y la presión se ajusten a las necesidades de cada momento. Debemos tener muy en cuenta de las curvas características de los ventiladores están siempre realizadas a las máximas revoluciones posibles. La regulación solo se puede realizar disminuyendo la velocidad de giro del ventilador.

Tabla 6.1.- Leyes de los Ventiladores



7. Criterios para determinar el tipo de ventilación a utilizar.

Decidir el sistema más idóneo: Ventilación Ambiental o bien Ventilación Localizada.

Recordando que la Ambiental es adecuada para recintos ocupados por seres humanos con la contaminación producida por ellos mismos en sus ocupaciones y también en naves de granjas de animales que ocupan toda la superficie y en aparcamientos subterráneos de vehículos donde la contaminación puede producirse en todos los lugares. La ventilación Localizada es para controlar la contaminación en los lugares donde se genera.

Calcular la cantidad de aire, el caudal del mismo necesario.

Estudiar si es posible la descarga libre, esto es, lanzar fuera el aire contaminado a través de un cerramiento, pared o muro.

En el caso de tener que descargar en un punto lejano, calcular la pérdida de carga de la canalización necesaria, con todos sus accidentes: captación, tramos rectos, codos, expansiones, reducciones, obstáculos, etc., hasta alcanzar la salida.

Consultar un catalogo de ventiladores para identificar cuales de ellos contienen en su curva característica el punto de trabajo necesario: Caudal-Presión.

Escoger el ventilador adecuado atendiendo, además del punto de trabajo, al ruido permitido, a la tensión de alimentación, a la regulación de velocidad (si es necesaria) a la protección (intemperie), posibilidades de instalación y, naturalmente, al coste.



8. Conclusiones y Comentarios

Para obtener un ahorro energético es conveniente ventilar únicamente, cuando y donde sea necesario, La causa de pérdidas más común es el mal dimensionamiento del ventilador con la demanda. Para propósitos tales como ventilación de cuartos, edificios y refrigeración en la etapa de diseño no son conocidas las necesidades reales y se opta por escoger un ventilador sobredimensionado. En locales de altura libre superior a 4 m se evitará la estratificación del aire durante los periodos de demanda de calor. Las últimas tecnologías aplicadas son las toberas de largo alcance. Otro sistema para evitar la estratificación es por medio de ventiladores que muevan de arriba hacia abajo el aire del techo, de este modo podemos llegar a ahorros de un 30%. Se recomienda utilizar regulación de la velocidad de los ventiladores por medio de un variador de frecuencia, consiguiendo ahorros que pueden llegar al 40% de consumo, además de mejorar el consumo de energía reactiva y alargar la vida del ventilador. Un buen mantenimiento y un buen sistema de regulación permite, en los servicios comunes, ahorros totales de energía superiores al 20%. Ante una ausencia de mantenimiento, los filtros incorporados a las unidades de tratamiento de aire se obstruyen, provocando un aumento en la pérdida de carga, la cual debe ser absorbida por los ventiladores. Es conveniente mantener el edificio a una ligera presión positiva para minimizar la infiltración del aire por lugares no controlados (puertas, ventanas, etc.).



9. Bibliografía

1. VENTILACION INDUSTRIAL Generalitat Valenciana. Conselleria de Treball i Afers Socials. Dirección General de Treball. Paseo de la Alameda, 16.46010 Valencia. ESPAÑA.

2. INDUSTRIAL VENTILATION - A Manual of Recommended Practice. Committee on Industrial Ventilation. P. O. Box 16153. Lansing. Michigan 48901 USA. American Conference of Governmental Industrial Hygienist. 6500 Glenway Avenue, Bldg. D - 7. Cincinnati, Ohio 45211 USA.

3. FUNDAMENTOS DE VENTILACION INDUSTRIAL

V. V. BATURIN. Editorial LABOR S.A. Calabria, 235 - 239. Barcelona - 15. ESPAÑA.

4. VENTILACION INDUSTRIAL - Descripción y diseño de los sistemas de ventilación

industrial. Rubens E. POCOVÍ – Universidad Nacional de SALTA. Ediciones MAGNA PUBLICACIONES. Catamarca 285. San Miguel de Tucumán. República ARGENTINA.

5. www.ach.cl/pdf/Alphair

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