152786686 curso ventilacion industrial
TRANSCRIPT
ESCUELA SUPERIOR
POLITÉCNICA DEL LITORAL
FACULTAD DE INGENIERÍA EN
MECÁNICA Y CIENCIAS DE LA
PRODUCCIÓN
VENTILACIÓN
INDUSTRIAL
AREAS DE
ESPECIALIZACIÓN:
TERMOFLUIDOS Y MEDIO
AMBIENTE
Código: FIMP02287
POLÍTICAS DE CURSO
PROFESOR DE LA MATERIA:
ING. FRANCISCO ANDRADE
RENSEELAER POLYTECHNIC INSTITUTE:
MSc. In Mechanical Engineering
ESCUELA SUPERIOR POLITÉCNICA DEL
LITORAL:
Ingeniero Mecánico
BIBLIOGRAFÍA:
TEXTO GUÍA:
INDUSTRIAL VENTILATION:
A Manual of Recommended Practice
Editor: ACGIH
Edición 25
CONTENTS
DEDICATION vii
FOREWORD ix
ACKNOWLEDGMENTS xi
DEFINITIONS xiii
ABBREVIATIONS xv
CHAPTER 1 GENERAL PRINCIPLES OF VENTILATION 1-1
1.1 Introduction 1-2
1.2 Supply Systems 1-2
1.3 Exhaust Systems 1-2
1.4 Basic Definitions 1-3
1.5 Principles of Airflow 1-4
1.6 Accelerations of Air Hood Entry Losses 1-6
1. 7 Duct Losses 1-7
1.8 Multiple-Hood Exhaust Systems 1-9
1.9 Airflow Characteristics of Blowing
and Exhausting 1-9
References 1-10
CHAPTER 2 GENERAL INDUSTRIAL VENTILATION 2-1
2.1 Introduction 2-2
2.2 Dilution Ventilation Principles 2-2
2.3 Dilution Ventilation for Health 2-2
2.4 Mixtures-Dilution Ventilation for Health 2-6
2.5 Dilution Ventilation for Fire and Explosion 2-7
2.6 Fire-Dilution Ventilation for Mixtures 2-8
2.7 Ventilation for Heat Control 2-8
2.8 Heat Balance and Exchange 2-8
2.9 Adaptive Mechanism of the Body 2-9
2.10 Acclimatization 2-10
2.11 Acute Heat Disorders 2-10
2.12 Assessment of Heat Stress, and Heat Strain 2-10
2.13 Worker Protection 2-12
2.14 Ventilation Control 2-12
2.15 Ventilation Systems 2-13
2.16 Velocity Cooling 2-14
2.17 Radiant Heat Control 2-15
2.18 Protective Suits for Short Exposures 2-15
2-19 Respiratory Heat Exchangers 2-15
2- 20 Refrigerated Suits 2-16
2-21 Enclosures 2-16
2.22 Insulation 2-16
References 2-16
CHAPTER 3 LOCAL EXHAUST HOODS 3-1
3.1 Introduction 3-2
3.2 Contaminant Characteristics 3-2
3.3 Hood Types 3-2
3.4 Hood Design Factors 3-2
3.5 Hood Losses 3-15
3.6 Minimum Duct Velocity 3-18
3.7 Special Hood Requirements 3-18
3.8 Push-Pull Ventilation 3-19
3.9 Hot Processes 3-20
References 3-22
CHAPTER 4 AIR CLEANING DEVICES 4-1
4.1 Introduction 4-2
4.2 Selection of Dust Collection Equipment 4-2
4.3 Dust Collector Types 4-3
4.4 Additional Aids in Dust Collector Selection 4-22
4.5 Control of Mist, Gas and Vapor Contaminants 4-22
4.6 Gaseous Contaminant Collectors 4-22
4.7 Unit Collectors 4-29
4.8 Dust Collecting Equipment Cost 4-29
4.9 Selection of Air Filtration Equipment 4-33
4.10 Radioactive and High Toxicity Operations 4-34
4.11 Explosion Venting 4-35
References 4-36
CHAPTER 5 EXHAUST SYSTEM DESIGN PROCEDURE 5-1
5.1 Introduction 5-2
5.2 Preliminary Steps 5-2
5.3 Design Procedure 5-2
5.4 Duct Segment Calculations 5-4
5.5 Distribution of Airflow 5-10
5.6 Aids to Calculation 5-12
5.7 Plenum Exhaust Systems 5-12
5.8 Fan Pressure Calculations 5-13
5.9 Corrections for Velocity Changes 5-13
5.10 Sample System Design 5-16
5.11 Duct Material Friction Losses 5-16
5.12 Friction Loss for Non-Circular Ducts 5-16
5.13 Corrections for Non-Standard Density 5-24
5.14 Air Cleaning Equipment 5-34
5.15 Evasé Discharge 5-34
5.16 Exhaust Stack Outlets 5-34
5.17 Air Bleed Design 5-37
5.18 Optimum Economic Velocity 5-38
5.19 Construction Guidelines for Local Exhaust Systems 5-38
References 5-40
CHAPTER 6 FANS 6-1
6.1 Introduction 6-2
6.2 Basic Definitions 6-2
6.3 Fan Selection 6-6
6.4 Fan Motors 6-21
6.5 Fan Installation and Maintenance 6-24
References 6-27
CHAPTER 7 SUPPLY AIR SYSTEMS 7-1
7.1 Introduction 7-2
7.2 Purpose of Supply Air Systems 7-2
7.3 Supply Air Equipment 7-6
7.4 Supply Air Distribution 7-13
7.5 Airflow Rate 7-16
7.6 Heating, Cooling, and Other Operating Costs 7-16
7.7 Energy Conservation 7-20
7.8 System Control 7-25
7.9 System Noise 7-25
References 7-25
CHAPTER 8 VENTILATION ASPECTS OF INDOOR AIR QUALITY 8-1
8.1 Introduction 8-2
8.2 Dilution Ventilation for Indoor Air Quality 8-2
8.3 HVAC Components and System Types 8-2
8.4 HVAC Components, Functions and Malfunctions 8-4
8.5 HVAC Component Survey Outline 8-8
References 8-9
CHAPTER 9 MONITORING AND TESTING OF VENTILATION SYSTEMS 9-1
9.1 Introduction 9-2
9.2 Computing Air Velocity and Airflow Rate 9-3
9.3 Representative Sampling for Velocities 9-9
9.4 Pressure Measurement 9-15
9.5 Using Pitot Tube Probes with Pressure Sensors 9-16
9.6 Selection and Use of Instruments 9-19
9.7 Calibration 9-30
9.8 Practical Issues in Ventilation System Management 9-34
9.9 Monitoring a System 9-35
9.10 Using Pressure and Flow Data to Detect and Locate
Obstructions, Leaks, and Alterations 9-37
9.11 Testing for Acceptance 9-45
References 9-48
CHAPTER 10 SPECIFIC OPERATIONS 10-1
BIBLIOGRAPHY 11-1
APPENDICES 12-1
A Threshold Limit Values for Chemical Substances in the Work.
Environment with Intended Changes for 2000 12-3
B Physical Constants/Conversion Factors 12-21
INDEX 13-1
TEXTOS DE REFERENCIA:
Guía Practica de la Ventilación
Autores: W. C. Osborne
C. G. Turner
Editorial: Blume
Ventilation for Control of the Work Enviroment
Autores: William A. Burguess
Michael J. Ellenbecker
Robert D. Treitman
Editorial: John Wiley & Sons
OBJETIVOS DEL CURSO
El estudiante al final del curso debe
capacitado para identificar y evaluar las
condiciones ambientales dentro de un
recinto industrial para determinar si son
adversas al ser humano. Debe diseñar
sistemas de ventilación que corrijan
dichas condiciones; seleccionar los
equipos adecuados y determinar la
instalación correcta de los mismos.
CALIFICACIONES
EXAMEN DE PRIMER APORTE:
Tareas 30% Examen escrito 70%
EXAMEN DE FINAL:
Proyecto 60% Examen escrito 40%
EXAMEN DE MEJORAMIENTO:
Proyecto 20% Examen escrito 80%
Las tareas deben entregarse en la fecha
indicada para que tenga toda la puntuación.
Las tareas entregadas al día siguiente de la
fecha límite, tendrán un 20% de penalidad.
No se aceptarán las tareas después del día
siguiente al de la fecha límite.
El examen final es evaluado sobre la materia
cubierta después del examen parcial.
El examen de mejoramiento es acumulativo y
cubre toda la materia cubierta en el curso.
Durante la recepción de los exámenes no se
permitirá el uso de celulares, bajo ningún
concepto
El Proyecto de final de curso es fundamental
para lograr el objetivo del curso, por consiguiente
es obligatorio.
Todos los estudiantes asignados a un mismo
proyecto deben dedicarle el mismo tiempo de
trabajo.
El proyecto entregado será calificado sobre 60
puntos para el examen final y sobre 20 puntos para
el examen de mejoramiento.
Los estudiantes que no entreguen el proyecto,
tendrán cero en la nota del examen final, y el
examen de mejoramiento será calificado sobre 100
puntos.
Este curso es electivo y por consiguiente muy
aplicativo de algunas teorías cubiertas en materias
fundamentales del curriculum de Ingeniería
Mecánica.
La revisión de los conceptos básicos es de
responsabilidad exclusiva de los estudiantes, y por
consiguiente se espera que una buena parte del
tiempo de dedicación al presente curso este
dirigido a la consulta de la bibliografía
correspondiente.
CONTENIDO DEL CURSO
INTRODUCCIÓN
CONTAMINANTES DEL AIRE
VENTILACIÓN DILUIDORA
CONTAMINACIÓN POR OLORES
CONTAMINACIÓN BACTERIAL
CONTAMINACIÓN INDUSTRIAL
CONTAMINACIÓN TÉRMICA
PRINCIPIOS DE MECÁNICA DE FLUIDOS
VENTILACIÓN LOCALIZADA
SISTEMAS DE CAPTURA DE CONTAMINANTES
DIMENSIONAMIENTO DE DUCTOS
VENTILADORES
COLECTORES DE SÓLIDOS
INTRODUCCIÓN AL TRANSPORTE NEUMÁTICO
El problema de la contaminación
envuelve 3 elementos principales:
El proceso industrial y sus
fronteras
El aire atmosférico
El ser humano
La afectación del proceso industrial en la
calidad del aire atmosférico es compleja de
controlar y generalmente depende de políticas
de gobierno y son a mediano y largo plazo.
El enfoque del curso estará centrado en los
otros dos elementos:
El aire atmosférico y
El ser humano.
De manera colateral se estudiará la influencia de
la frontera del proceso industrial.
La Asociación Americana de Higiene
Industrial define la ventilación
industrial como:
“La ciencia y el arte dedicados al reconocimiento, evaluación y control de los factores ambientales y esfuerzos provenientes desde o hacia un puesto de trabajo, que pueda causar enfermedad, afectar la salud y el bienestar, o causar disconfort e ineficiencia en el desarrollo de las actividades profesionales del individuo”.
El aire atmosférico es una
mezcla de gases y está
compuesto por:
Oxígeno
Nitrógeno
Argón
Dióxido de Carbono
12 gases adicionales a nivel de
trazas.
El peso molecular aparente
del aire atmosférico es:
Constituye
nte
Peso
Molecular
Fracción
Volumétrica
PM x FV
Oxígeno 32.000 0.2095 6.704
Nitrógeno 28.016 0.7809 21.878
Argón 39.944 0.0093 0.371
Dióxido de
Carbono
44.010 0.0003 0.013
SUMATORIA 1.0000 28.966
El aire atmosférico contiene
además dos constituyentes
adicionales muy importantes:
Vapor de agua
Partículas sólidas en suspensión
(polvo)
Métodos de control de
contaminación por ventilación:
Diluir la concentración de contaminantes
por debajo de ciertos estándares
internacionales. (Ventilación diluidora).
Eliminar contaminantes capturando estas
emisiones en el punto donde se producen.
(Ventilación localizada).
Consideraciones especiales:
Los contaminantes, en cualquier estado físico,
serán considerados de tal manera que estén
distribuidos homogéneamente en el aire.
El aire atmosférico es considerado para
propósitos cuantitativos como un gas
monocomponente.
El flujo de aire (incluyendo los contaminantes)
será considerado como newtoniano.
Unidades:
De acuerdo al sistema internacional el flujo es medido en m3/s, la velocidad en m/s y la presión en N/m2 (Pascal).
De acuerdo al sistema inglés el flujo es medido en p3/min (CFM), la velocidad en p/min (FPM ó PPM) y la presión en lb/pul2 (psi)
Unidad “especial” de presión:
Las aplicaciones en ventilación industrial
usan presiones relativamente bajas.
Debido al método inicial de medición de
presiones (manómetro U), se sa en el
medio como unidad de presión:
Sistema internacional: mm col. H2O
Sistema inglés: pul. col. H2O
El flujo de aire es considerado como un
fluido incompresible.
Las aplicaciones en ventilación industrial
involucran ventiladores que comprimen el
fluido hasta un máximo de 1/3 de la presión
atmosférica.
Hasta ésta presión, el error de considerar al
aire como incompresible es menor al 10%.
La mayoría de las aplicaciones involucran
presiones mucho menores a éste máximo.
(usualmente 15 veces menor).
CONTAMINANTES
Los contaminantes industriales pueden presentarse de diversas formas y en diferentes estados. En general pueden ser sólidos, líquidos y gaseosos.
Los contaminantes sólidos pueden ser: irritantes, tóxicos, fibras que producen polvos, polvo inerte, polvos alérgicos, sustancias que producen fiebre. Los polvos pueden ser de origen mineral como metales, arcillas y rocas; de origen vegetal como madera, algodón, polen y harinas; y de origen animal como lana, seda, plumas, cabello, etc.
El método mas recomendable para este tipo de contaminante es por ventilación localizada, a excepción de ciertos casos del polvo presente en el aire atmosférico.
Los contaminantes líquidos no forman parte del
objetivo de este curso. En los casos en que se
encuentren finamente atomizados, suspendidos
en el aire y se mantengan en ese estado, pueden
ser tratados, generalmente, por ventilación
localizada.
Los contaminantes líquidos suspendidos en el
aire se forman por la atomización, pulverización,
y por reacciones químicas violentas.
Especial consideración debe tomarse cuando
estos líquidos son corrosivos y explosivos.
Los contaminantes gaseosos incluyendo los vapores de sustancias que normalmente se encuentran en estado sólido pueden ser: asfixiantes, irritantes, gases inorgánicos, gases orgánometálicos, sustancias volátiles, etc.
Especial consideración debe tomarse cuando estos líquidos son corrosivos y explosivos.
Estos son los casos mas comunes presentes en aplicaciones industriales y generalmente dependiendo del grado de toxicidad pueden ser tratados por ventilación diluidora o por ventilación localizada.
Factores que determinan la
ventilación diluidora.
Propiedades físicas del contaminante.
Razón de generación del contaminante (RGC).
Lineamientos y valores máximos permisibles de
exposición al contaminante sin que exista peligro
de afectación a la salud.
Localización de los puntos de emisión, áreas de
trabajo y suministro de aire fresco.
Concentración del contaminante en el recinto.
Ventilación existente (natural o forzada).
Clasificación de la contaminación
CONTAMINACIÓN POR OLORES
CONTAMINACIÓN BACTERIAL
CONTAMINACIÓN INDUSTRIAL
CONTAMINACIÓN TÉRMICA
CONTAMINACIÓN POR
OLORES Los olores son productos de un proceso que empieza con
la difusión molecular de sustancias olorosas, las mismas que se diluyen en la membrana mucosa provocando una reacción química con los bellos olfativos, lo que produce la sensación de olor.
Los olores son sustancias que se presentan en forma gaseosa o en forma de vapor, y la detección de algunas de ellas por medio del olfato requieren concentraciones en el orden de 10-5 ppm, miles de veces menor de las concentraciones de las sustancias consideradas tóxicas. Esto permite alguna medida de corrección mucho antes de que las concentraciones de estas sustancias puedan afectar la salud.
Es un problema complejo de resolver por tratarse de un sentido del ser humano que varía de individuo a individuo
Los olores aceptables para unos no lo son para otros, un ejemplo característico es la reacción que provocan los perfumes.
Los olores no familiares son mas fácilmente detectables y causan mas quejas que los familiares.
Existe el factor que se conoce como la fatiga al olor, es decir con suficiente tiempo las personas expuestas se acostumbran a casi todos los olores y se da cuenta de ello solo cuando la intensidad del olor cambia.
El aparato receptor específico está localizado arriba de las fosas nasales y en la parte superior de la garganta situado en las llamadas aberturas olfatorias. El área total de la superficie de cada cámara es de aproximadamente 1 pul2
en el adulto, aquí la mucosa olfatoria presenta células bipolares que por una extremidad afloran en el epitelio para la captación de los estímulos, mientras que con la otra forman los numerosos filamentos del nervio olfativo. Los nervios olfatorios llevan los estímulos al uncus, a la comisura anterior del tercer ventrículo y al área paraolfativa del cerebro.
La teoría de los olores establece que
para que sea olorosa una sustancia
debe ser:
1. Volátil de tal manera que continuamente
pierda moléculas a la atmósfera para ser
transportadas al aparato olfativo.
2. Capaces de ser absorbidas por la superficie
sensitiva del epitelio, y
3. Un elemento ausente de la región alfativa, es
decir, no deber estar dentro del epitelio para
que cuando arribe cause la sensación del olor,
sólo los cambios causan sensación.
R.W. Moncrieff en su tratado, The Chemical Senses, llegó a la conclusión de que debe reconocerse la dependencia de las características de los olores con la configuración molecular de las sustancias, con los receptores y el cerebro del individuo que está oliendo.
Moncrieff obtuvo 62 principios generales relacionando los olores con la composición química de las sustancias. De estos principios, los tres mas importantes son:
1) Los olores fuertes son siempre una característica de las sustancias volátiles, químicamente reactivas.
2) El principal factor que determina el olor es el tipo de arquitectura de la molécula.
3) En los compuestos de anillos, el número de miembros de anillo determina el olor:
a) Anillos de 5 a 6 miembros: olores de metanol, esencia de almendras amargas.
b) Anillos de 6 a 9 miembros: olores tradicionales.
c) Anillos de 9 a 12 miembros: olores de menta y alcanfor.
d) Anillos de 13 miembros: olores de cedro y madera.
e) Anillos de 14 a 16 miembros: olor de vegetación selvática.
f) Anillos de 17 y 18 miembros: olor de algalia.
g) Anillos de más de 18 miembros: olores tenues o inodoros.
El olfato humano asistido por dispositivos escogidos o procedimientos específicos constituye el sistema básico para evaluar olores.
El procedimiento para la determinación de los olores es realizado por paneles compuestos por 2 a 15 individuos entrenados y sometidos a determinadas concentraciones de sustancias olorosas.
Las mediciones se dividen en dos categorías generales: determinación de la concentración del umbral de las sustancias olorosas y la intensidad de los olores atmosféricos
Técnicas de medición de olores
Los umbrales de olor son establecidos en función de lo anteriormente indicado y se lo define como la mínima concentración de la sustancia que es capaz de ser detectada por el olfato humano. Este umbral de olor sirve para determinar la cantidad de ventilación necesaria para diluir la concentración de una sustancia por debajo del umbral.
La intensidad representa una magnitud verbal ó numérica de la “fuerza” del olor. Esta magnitud depende de la concentración de la sustancia, de la volatilidad y la solubilidad de la sustancia en grasas o agua
ODOR TRESHOLD CONCENTRATIONS SUSTANCIA PARTES POR MILLON (PPM)
Tetracloruro de Carbón 71.8
Amoníaco 53
Fosgeno 5.6
Dióxico de Azufre 4
Cloro (soluble) 3.5
Acroleína 1.8
Acetato de Amilo 1
Bisulfito de Carbono 0.77
Fenol 0.306
Cresol 0.2
Sulfito de Hidrógeno 0.18
Ozono 0.05
Piridina (humo de tabaco) 0.123
Yodopsina 0.0016
Acido Valérico 0.00013
Mercaptán de Etilo 0.00026
Acido Butírico 0.00006
El olfato humano, sin embargo, no es un detector confiable en lo referente a sustancias nocivas ó altamente tóxicas para la salud.
Existen otros elementos que no emiten olores como el monóxido de carbono, y que en concentraciones del 0.2 % producen muerte.
Los olores no son considerados agentes peligrosos para la salud aunque pueden causar ciertos trastornos como pérdida del apetito, disminución del consumo de agua, respiración dificultosa, nauseas, vómitos y hasta insomnio.
La intensidad del olor es considerada una función exponencial de la concentración de la sustancia en el aire, en donde el exponente varía entre 0.25 y 0.70 dependiendo de la naturaleza del olor y de las personas.
La relación generalmente aceptada entre la intensidad del olor y la concentración del contaminante oloroso, según se ilustra en la siguiente figura, está dada por la ecuación de Weber-Fechner:
P = K Sn
donde K y n son constantes específicas de cada odorante y se determinadas experimentalmente.
La percepción de los olores puede variar dependiendo del grado de aceptabilidad para el humano, usualmente los olores son mas notables cuando desagradan y causan disconfort.
Existen también olores comunes que desagradan a todos los humanos como el disulfito metílico que en concentraciones del 10% es considerado extremadamente desagradable.
Control de olores
Es difícil cuantificar la cantidad de aire necesario considerando el umbral de olores tabulados, principalmente porque la RGC muy difícilmente puede determinarse.
La ventilación mínima requerida para prevenir el incremento de la concentración de olores industriales es de 5 CFM por persona no fumadora y de 25 CFM por persona fumadora.
La concentración de olores corporales en espacios confinados dependen del espacio ocupado por persona, de la higiene personal y de la actividad. En el gráfico siguiente se dan los valores mínimos de ventilación para ocupantes sedentarios de una condición socio-económica promedio.
Otros métodos de controlar
olores
Adsorción
Absorción
Combustión
Deodorizantes
Por adsorción, mediante el uso de sólidos activados usualmente de alta porosidad teniendo superficies internas en el orden de 100 a 1500 m2/gm. Algunos de estos sólidos son alúminas activadas, sílice gelatinosa y carbón activado. La tecnología actual produce carbón activado que puede adsorber hasta el 50% del peso del carbón. Una vez que los sólidos activados se saturan deben ser cambiados por material fresco para mantener el recinto libre de olores indeseables.
Por absorción usando agentes químicos para que por reacción se absorban los olores, o simplemente usando agua en los llamados filtros húmedos o aceites especiales.
Por reducción química usando gases reductores como el ozono y cloro en agua se eliminan fácilmente olores, sin embargo por el efecto contaminante que producen estos elementos, son usados en concentraciones bajas diluyendo los olores significativamente.
Oxidación por flama de sustancias combustibles pueden ser eliminados mediante combustión, a temperaturas generalmente entre 1100 y 1500 °F. Se debe tener cuidado de que no ocurra oxidación parcial, ya que esto podría aumentar el olor, como se ejemplifica en la conversión de alcoholes al ácido carboxílico, que tiene un olor muy fuerte. Combustión incompleta de materiales orgánicos sulfurosos y nitrogenados resultan en óxidos con olores permisibles pero que contaminan el ambiente y que en concentraciones suficientes pueden causar trastornos fisiológicos al ser humano.
Un método que no elimina ni diluye el nivel de olores es el enmascaramiento de los mismos, aunque elimina el malestar y casi todos los efectos secundarios que causan los olores al ser humano. Debido a la poca a nada discriminación que tiene el olfato a determinar entre diferentes olores, una manera de evitar el disconfort, es el de usar sustancias con olores fuertes de tal manera que en concentraciones específicas, la combinación de los olores se anulen o en su defecto aquél con el mas fuerte olor prevalezca y “oculte” el olor desagradable. Este es el caso de sustancias olorosas de esencias naturales, aceites especiales, y químicos específicos que se expenden en aerosoles desodorantes.
Contaminación bacterial
Las bacterias usualmente son aerotransportadas por su adherencia a las partículas sólidas suspendidas en el aire como el polvo por ejemplo.
El control de bacterias en recintos únicamente por ventilación es impráctico y además porque el aire fresco de renovación también trae bacterias consigo, por lo que se hace necesario algún tipo de filtración del aire. Se estima que el aire requerido para controlar la propagación de bacterias en el medio es de 500 CFM por persona, lo que haría imposible una aplicación de esta naturaleza.
Las atmósferas estériles son creadas usando filtros especiales que intercepten las partículas sólidas en las que van adheridas las bacterias, este método es preferido a usar lavadores químicos incluyendo radiación ultravioleta. La malla del filtro debe ser lo suficientemente pequeña para atrapar partículas coloidales y por ende a las bacterias. Especial consideración se debe tener cuando se filtran partículas muy pequeñas por la caída de presión que provocan y adicionalmente a medida que el filtro va reteniendo mayor cantidad de sólidos va mejorando su eficiencia de retención y se va incrementando la caída de presión, por lo que el ventilador debe tener las características apropiadas para esta función (ventilador centrífugo).
Se hace obvio hacer un adecuado tratamiento de los filtros usados puesto que en ellos hay una alta concentración de bacterias, lo que podría ser perjudicial para la salud de quiénes manipulan estos filtros, durante el mantenimiento de los mismos. Ejemplos de éstas aplicaciones son los cuartos de cirugía, tratamientos intensivos, etc. en clínicas y hospitales. El sistema de aire de renovación no debe permitir el ingreso de aire fresco con polvo, para no incrementar las posibilidades de infecciones de tipo bacterial, por lo que también deberá ser filtrado.
Cuartos presurizados
Los “cuartos limpios” siempre tienen un sistema de inyección de aire y uno de extracción. Un principio básico en el diseño de estos equipos de ventilación es el de que la capacidad del sistema de inyección siempre sea mayor a la capacidad del sistema de extracción de aire.
Con este requerimiento se logra tener presión positiva dentro del cuarto, lo cual favorece que aire salga del mismo, en lugar del efecto contrario, para evitar que se arrastren partículas de polvo dentro del cuarto. Ésta característica es necesaria para asegurar la asepsia necesaria en estas aplicaciones.
Para lograr presión positiva en recintos industriales es necesario controlar las filtraciones, ya que en el caso de que éstas sean muy grandes difícilmente puede lograrse el efecto deseado.
También es necesario “cuidar” (en recintos herméticos) de que la presión no se incremente en magnitudes tales que provoquen malestar en el sistema auditivo del ser humano.
El criterio de recintos con presión positiva es también ampliamente usado en la industria alimenticia, electrónica y en todos los procesos industriales donde el polvo es indeseable.
VENTILACIÓN DILUIDORA
La ventilación diluidora tiene cinco factores
limitantes:
La cantidad de contaminante generado no debe ser muy grande o el volumen de aire necesario para la dilución será impráctico.
Los obreros deben estar a relativa distancia de la generación de los contaminantes o éstos deben estar en bajas concentraciones de tal manera que la exposición de los trabajadores no sea en exceso de los valores máximos permisibles (TLV).
La toxicidad de los contaminantes debe ser baja.
La generación de contaminantes debe ser relativamente uniforme en el recinto industrial.
La generación de contaminantes debe ser aproximadamente constante.
Definiciones del TLV
Existen tres categorías del TLV:
1. TWA (Time Weighted Average):
Concentración promedio en tiempo de un
contaminante tomado dentro de un turno de
trabajo de 8 horas al día, 40 horas a la
semana, en la que se conoce que casi todos
los trabajadores pueden estar continuamente
expuestos, día tras día, sin efectos adversos.
2. STEL (Short Term Exposure Limit): Es la concentración de un contaminante a la que se conoce que los trabajadores pueden estar continuamente expuestos por un período corto de tiempo sin que sufran de: a) irritación, b) daños crónicos o irreversibles de los tejidos, o c) narcosis de un grado tal que incremente la posibilidad de lesiones por accidentes, que imposibilite la capacidad de autodefensa o que reduzca la eficiencia de trabajo, sin que el TLV-TWA diario haya sido excedido. El tiempo de exposición corto no debe exceder de 15 minutos y no debe ocurrir mas de 4 veces en el día. Debe haber un tiempo de 60 minutos como mínimo entre exposiciones. El TLV-STEL es recomendado para sustancias tóxicas que se conocen causan efectos a las personas o animales expuestos por periodos largos de tiempo.
3. TLV-C (Ceiling): Es la concentración de un
contaminante que no debe excederse bajo ninguna
consideración durante el turno de trabajo. En los
casos de gases irritantes, el TLV se la da solo en
esta categoría
Las concentraciones de estos valores vienen dadas en
ppm ó en mg/m3. La relación que permite obtener el
TLV en una unidad cuando viene dado en la otra es:
24.45
PM x TLV TLV
ppm
mg/m3
Si se tiene un recinto en donde se están generando contaminantes Qc , y existe un flujo de aire entrando con una concentración del mismo contaminante Co y otro saliendo, la razón de acumulación del contaminante dentro del recinto será:
Razón de acumulación del contaminante = Razón de generación del contaminante + el flujo entrando con contaminante externo – flujo saliendo con contaminante
VdC = Qc dt + Q Co dt – Q C dt
Esta es la ecuación general que gobierna el fenómeno.
Si suponemos que el aire que se inyecta está libre de contaminantes, y que se está en estado estable:
Co = 0 y dC = 0
Qc dt = Q C dt ; integrando para el tiempo:
C
RGC
C
Q Q c
Como la concentración del contaminante generalmente se expresa en ppm, y debido a que el mezclado del aire fresco con el aire interno del recinto nunca es homogéneo, se introduce un factor de seguridad en la ecuación y las correspondientes características de las sustancias según sea la unidad en que se las mida.
Para calcular el flujo de aire necesario
para diluir un contaminante:
TLV PM
10 K m C=Q
TLV PM
10 K mGR SP C=Q
6
6
La primera ecuación se usa si m está dado en
unidades de flujo volumétrico y la segunda si
m viene dado en unidades de flujo másico
Si se utiliza el sistema de inglés de unidades:
Q está expresado en CFM, y:
C = 386.7 si m está en lbm/min ó,
C = 3224 si m está en gal/min.
Si se utiliza el sistema internacional de unidades:
Q está expresado en m3/s, y:
C = 24.117 si m está dado en Kg/s ó en lt/s.
La magnitud del factor k depende de varios factores:
1. La eficiencia de mezclado del aire renovado con el contaminado.
2. El grado de toxicidad del contaminante.
3. Localización y número de puntos de emisión.
4. Duración del proceso y ciclos de operación.
5. Posición relativa del trabajador con respecto a los puntos de emisión del contaminante.
6. Cambios en las condiciones ambientales que afecten la ventilación
7. Reducción de la eficiencia de los equipos de ventilación.
El valor de K puede ser de 1 a 10
Consideraciones de acuerdo a
la toxicidad de la sustancia:
Cuando mas de un contaminante
está presente en el medio:
Sustancia moderadamente tóxica: TLV > 500 ppm
Sustancia medianamente tóxica: TLV 100 y 500 ppm
Sustancia altamente tóxica: TLV <100 ppm
C1/TLV1 + C2/TLV2 + ......+Cn/TLVn > 1
Para calcular el flujo de aire necesario
para diluir la concentración de una sus-
tancia explosiva:
B LEL PM
100 K m C=Q
B LEL PM
100 K mGR SP C=Q
La primera ecuación se usa si m está dado en
unidades de flujo volumétrico y la segunda si
m viene dado en unidades de flujo másico
Si se utiliza el sistema de inglés de unidades:
Q está expresado en CFM, y:
C = 386.7 si m está en lbm/min ó,
C = 3224 si m está en gal/min.
Si se utiliza el sistema
internacional de unidades:
Q está expresado en m3/s, y:
C = 24.117 si m está dado en
Kg/s ó en lt/s.
F250 T 0.7 B
F250 T 1 B
Ejemplo # 1
Se tiene un proceso de limpieza y pegado en el que se utiliza MEK (methyl ethyl ketone) y tolueno. Por datos de producción se tiene que se utilizan 2 pintas/hora de cada componente. Las dos sustancias son narcóticas y sus efectos son considerados aditivos. Un muestreo realizado y su posterior análisis químico determinó que existen concentraciones de 150 ppm de MEK y 50 ppm de tolueno. Encontrar la ventilación necesaria para mantener la concentración de estas sustancias por debajo del TLV
Para el MEK:
TLV = 200 ppm
Gr. Esp. = 0.805
PM = 72.1
Para el tolueno:
TLV = 50 ppm
Gr. Esp. = 0.866
PM = 92.13
Los factores de seguridad se escogen en función de los criterios mencionados:
K para el MEK = 4
K para el tolueno = 5
Se determina primero si la mezcla de las sustancias exceden el TLV de la misma:
1.75
50
50
200
150
Como es mayor que la unidad, entonces el TLV está excedido.
cfm 3000 )200)(1.72(
)10)(4)(gal/pinta8
1)(
60
205)((3224)(0.8
Q
6
MEK
cfm 12627 )50)(13.92(
)10)(5)(gal/pinta8
1)(
60
266)((3224)(0.8
Q
6
Tolueno
El flujo total, en función de que los efectos son aditivos:
QMEK + QTolueno = 15627 cfm
Ejemplo # 2
El barniz para rebobinar motores contiene 1 cuarto de galón de
acetona y se evapora en 15 minutos. El secado del barniz de los
motores dura 2 horas en un horno a 200°F. Determine la
ventilación necesaria para una operación segura del horno?
Para la acetona se tienen las siguientes propiedades:
PM = 58.08
Grav. Esp. = 0.792
LEL = 2.55
Si se toma un factor K= 4
cfm 115 )1)(55.2)(08.58(
)100)(4)(15
0.2592)((3224)(0.7
Qstp
cfm 143 70)(460
200)(460 115 Q F200
El flujo requerido: Q200°F = 143 cfm
Determinación del tiempo para que una
concentración de CO2 se torne peligrosa
El dióxido de carbono CO2, es un producto de los
procesos de combustión. Es típico en los procesos
industriales obtener energía térmica a partir de quemar
combustibles, con la producción por consiguiente de
este gas. Además los seres vivientes también producen
este gas como proceso normal de la vida. Es necesario
por consiguiente controlar que la concentración de este
gas no sobrepase los valores establecidos en los
estándares.
El TLV-TWA del CO2 es de 5000 ppm.
Los seres humanos producen 4.719 x 10-6 m3/s de CO2
en condiciones normales de reposo.
Los efectos que produce la exposición de seres humanos al CO2 se dan en la siguiente tabla:
% CO2 EFECTOS
0.5-1.9 Afecta balance electrolítico del cuerpo
2 Mareos y dolores moderados de cabeza
3 Muchos dolores de cabeza
5 Depresión mental
6 Defectos visuales
10 Inconciencia.
Para determinar el tiempo en que una sustancia con una concentración determinada se torne peligrosa se usa la ecuación obtenida anteriormente:
VdC = Qc dt + Q Co dt – Q C dt
Para este caso se considera que el aire fresco entra con
una concentración de CO2 de Co. Arreglando los términos de esta ecuación, separando variables para poder integrarla, tenemos:
dt dC QC - )QC (Q
V
OC
Integrando ambos términos desde t1 a t2, para cuando la concentración va desde C1 a C2, y considerando que t1 = 0, y que n = Q/V:
iOC
OCnt-
QCQCQ
QCQCQ e
C = ( Co + 10000 . QC / Q )(1 – e-nt ) + Ci e-nt
• C es la concentración del CO2 a un tiempo t.
• CO es la concentración del mismo elemento, del aire de
renovación.
• Ci es la concentración inicial de la sustancia en el recinto.
• Todas las concentraciones están dadas en p/10000.
• Q es el flujo de aire fresco en m3/s.
• QC es la razón de generación del CO2 dado en m3/seg.
• n es el # de cambios de aire por hora,
• t es el tiempo dado en horas.
Ejemplo # 3
Un cuarto de 170 m3 de volumen recibe 2 cambios por hora de aire
de ventilación natural, y tiene un contenido de CO2 inicial de 0.03%
cuando no hay gente presente. Si el contenido del aire externo de
esta misma sustancia es de 0.03% y asumiendo que una persona en
estado de reposo produce 4.719 x 10-6 m3/s, calcule a) Cuál será la
máxima cantidad de personas que podrán ingresar al cuarto, si la
concentración no debe exceder del 0.1% al cabo de 1 hora de
ocupación? b) Cuál será el máximo número de personas con el
cuarto continuamente ocupado en las mismas condiciones?
Expresando la concentración en p/10000 para ingresar los datos en
la fórmula:
0.1% equivale a 10 p/10000
0.03% equivale a 3 p/10000
10 = [3 + 10000 (4.719 10 N
e + [3 e
-6
-2(1) -2(1)
)
.][ ] ]
0 0941
Q = 170 m3 . 2 cambios/3600 s = 0.094 m3/seg
10 = ( 3 + 0.052 N ) ( 1 - 0.135 ) + 0.406
despejando para N tenemos:
N = 16.127 por lo tanto N = 16 personas
Para la pregunta b, el tiempo se considera como infinito y por consiguiente los valores exponenciales de la ecuación se hacen cero y nos queda:
C = Co + 10000 Qc/Q
10 = 3 + 0.502 N N = 14 personas
Determinación del tiempo para que una concentración de cualquier contaminante se torne peligrosa
Nuevamente partimos de la ecuación general:
VdC = QC dt + Q CO dt – Q C dt
Para este caso consideramos que el aire fresco no viene con contaminantes, por consiguiente el segundo término de la derecha se hace 0:
VdC = QC dt – Q C dt
Acomodando los términos e integrando desde t1 a t2 cuando la concentración va desde Ci a C, y tomando en cuanta de que t1 = 0:
CQQ
QCQln
Q
V t
C
iC
CQQ
Qln
Q
V t
C
C
Ejemplo # 4
¿Cuál será el tiempo necesario para que la generación de
un contaminante, amoníaco a 0.2 m3/h, se vuelva
peligrosa en un recinto de 60 m3 ? Asuma que existe
una ventilación natural que produce 10 renovaciones por
hora.
TLV-TWANH3 = 25 ppm
Q = 60 m3 x 10 ren/h = 600 m3/h
V = 60 m3
K = 10
t = 0.1 ln (4) = 0.139 horas
t = 8.3 minutos
)600)(10 x 250(2.0
2.0ln
600
60 t
6-
PRINCIPIOS DE
MECÁNICA DE FLUIDOS
PRESIÓN TOTAL, ESTÁTICA Y
DINÁMICA La presión total es la que
se ejerce sobre una
partícula de fluido cuando
es llevada al reposo
isentrópicamente.
La presión estática es la
que se ejerce sobre una
partícula de fluido desde
todas las direcciones del
espacio.
La presión dinámica es la
que ejerce una partícula
de fluido debido a la
inercia de la misma.
La ecuación de Bernoulli es de tipo ideal, considera las siguientes
asunciones:
• El flujo es laminar
• El flujo es sin fricción.
• El flujo es incompresible.
• No hay transferencia de calor
P V
2gZ =
P V
2gZ
1 1
2
1
2 2
2
2
P V
2g
P V
2g
1 1
22 2
2
SP1 + VP1 = SP2 + VP2
TP1 = TP2
La ecuación modificada de Bernoulli:
SP1 + VP1 = SP2 + VP2
TP1 + hp = TP2 + He
hp es el cabezal añadido y He de pérdidas por fricción.
La correspondencia de presiones medidas en cabezales de agua y de aire:
HV = V2 / 2g => ρW hW = ρa ha
V2gH V
Los subíndices w y a corresponden al agua y al aire
respectivamente, ρ y h corresponden a las densidades y
cabezales en la unidad indicada por el subíndice.
ha = ρw hw / ρa = HV
ρa = 0.075 lb/ft3 (aire) y ρw = 62.4 lb/ft3 (agua)
V = 4005 VP½ V en FPM si VP está en pulg. de
columna de agua.
V = 4.033 VP½ V en MPS si VP está en mm de
columna de agua.
EJEMPLO # 5
1000 CFM de aire son succionados por un ventilador a través de un
ducto de 16’’ de diámetro, cuando el manómetro conectado en la succión
indicaba 0.15’’ H2O. El ventilador descarga el aire a un ducto de 10’’
cuando el manómetro conectado en la descarga mide 0.30’’ H2O.
Encuentre la energía añadida en pies de columna de aire y en hp?
SP1 + VP1 + Hp = SP2 + VP2 + He
si suponemos que no hay pérdidas:
Hp = (SP2 + VP2) - ( SP1 + VP1 )
V1 = Q/A1 = 715 FPM
VP1 = (715/4005)2 = 0.032’’ H2O
V2 = Q/A2 = 1830 FPM
VP2 = (1830/4005)2 = 0.208’’ H2O
HP = (0.3 + 0.208) - ( -0.15 + 0.032)
HP = 0.626 ’’ H2O
Hp = (0.626)(62.4)/(12)(0.075)
Hp = 43.4 pies de col. aire
Considerando que 1 pie de col. de agua equivale a 5.2 lb/pie2 y que 1 hp
equivale a 33000 lb-pie/min:
Hp = (0.626)(5.2)(1000)/33000
Hp = 0.099
Hp = 1/10 hp
VARIACIÓN DE LAS PRESIONES TOTAL, ESTÁTICA Y DINÁMICA
PÉRDIDAS DE PRESIÓN
Siempre que haya un cambio de
presión estática a dinámica o
viceversa, habrá una pérdida que
por fricción se convierte en calor y
será absorbida por el sumidero.
PÉRDIDAS EN LAS ENTRADAS A LOS
SISTEMAS DE CONDUCTOS.
SP = He + VP
Ce = Flujo Real/ Flujo Ideal
Q = 4005 A ( VP ) ½
Q = 4005 Ce A ( SP ) ½
C =VP
SPe C =
VP
H + VPe
e
He = {(1 - Ce2) / Ce
2} VP
Es decir que:
He = ƒ ( VP ) He = Fa VPa
donde Fa es el factor de pérdidas del accesorio, determinado
empíricamente. De las relaciones anteriores se encontró que
la VP es una función de la V2, por consiguiente:
He = ƒ ( V2 )
“LA PÉRDIDA DE PRESIÓN OCASIONADA POR LA
ENTRADA DE UN SISTEMA DE CONDUCTOS ES FUNCIÓN
DEL CUADRADO DE LA VELOCIDAD”.
PÉRDIDAS DE PRESIÓN EN
ENTRADAS
PÉRDIDAS DE PRESIÓN EN
ENTRADAS
PÉRDIDAS DE PRESIÓN EN ENTRADAS
PÉRDIDAS DE
PRESIÓN EN
CONDUCTOS
PÉRDIDAS DE
PRESIÓN EN
CONDUCTOS
PÉRDIDAS
DE PRESIÓN
EN
CONDUCTOS
PÉRDIDAS DE PRESIÓN EN
ACCESORIOS
La determinación analítica de las pérdidas de
presión en los accesorios es compleja y
muchas veces imposible de determinar.
Experimentalmente se ha determinado que
las pérdidas de presión en los accesorios
también es función del cuadrado de la
velocidad.
Se encuentran tabulados en muchas
referencias bibliográficas estos factores de
pérdidas.
PÉRDIDAS
DE
PRESIÓN
EN
ACCESO-
RIOS
PÉRDIDAS DE
PRESIÓN
EXPRESADAS
EN TÉRMINOS
DE LONGITUD
DE CONDUCTO
RECTO
PÉRDIDAS EN CODOS CIRCULARES
Angulo del codo Factor de pérdidas
60º 0.67 x factor para 90º
45º 0.50 x factor para 90º
30º 0.33 x factor para 90º
PÉRDIDAS EN RAMALES DE ENTRADA
PÉRDIDAS EN DISPOSITIVOS PARA INTEMPERIE
VENTILACIÓN LOCALIZADA
Factores que determinan la
ventilación localizada
El contaminante es altamente peligroso.
El contaminante es producido puntual-
mente.
El contaminante es explosivo.
El contaminante está compuesto por
partículas sólidas.
VELOCIDADES RECOMENDADAS PARA
CAPTURAR GASES CONTAMINANTES
GEN. CONTAMINATE APLICACION VELOCIDAD DE CAPTURA
SIN VELOCIDAD EVAPORACION Y DESGRASADO DE
TANQUES50-100 FPM
CON BAJA VELOCIDAD CABINAS DE PINTURA, LLENADO
DE TANQUES,
TRANSPORTADORES,
SOLDADURA, GALVANIZADO,
MEZCLADOS, ETC.
100-200 FPM
GENERACION ACTIVADA MOLINOS, ZARANDAS,
TRANSFERENCIA DE
TRANSPORTADORES > 200 FPM
200-500 FPM
A ALTA VELOCIDAD LIMPIAD0 ABRASIVO,
DESBASTADO, TAMBORES
ROTATIVOS, ETC.
500-2000 FPM
CONTAMINANTE VELOCIDADES
RECOMENDADAS (FPM)
VAPORES Y HUMOS 1400-2000
Polvos finos y livianos 2000-2500
Polvos secos y talcos 2500-3500
Polvo industrial (aserrín, granito,
arcillas, etc)
3500-4000
Polvos pesados (metálicos,
limpieza por impacto, etc)
4000-4500
Polvos húmedos (asbestos, etc.) 4500 en adelante
VELOCIDADES RECOMENDADAS PARA
SÓLIDOS EN CONDUCTOS
INFLUENCIA DE LA BRIDA EN EL
ARRASTRE DEL AIRE CIRCUNDANTE
DETERMINACIÓN
DE LOS FLUJOS
DE ACUERDO AL
TIPO DE
CAMPANA
Dimensionamiento de conductos
Velocidad Constante
Método Dinámico
Equifricción
Reganancia Estática
El primer método se usa para circuitos simples, y en
aplicaciones en donde hay que transportar contaminantes
sólidos, los que requieren una velocidad mínima de
sustentación.
El método Dinámico o reducción de velocidad es aplicado
cuando el sistema tiene muchas ramificaciones. Las
velocidades son escogidas en función de la experiencia o
de tablas de acuerdo a la zona de los conductos. La
desventaja del sistema es de que si escogen mal las
velocidades, se obtendrán caídas de presión significativas
con el consiguiente incremento del costo de los
ventiladores.
El método por Equifricción es ideal para sistemas simétricos o para sistemas en donde las longitudes de las diferentes ramificaciones son aproximadamente iguales. La dificultad estriba en encontrar las pérdidas de los accesorios (codos, bifurcaciones, entradas, etc.) en función de longitudes equivalentes de secciones rectas.
El método de la Reganancia Estática es ideal en sistemas en donde existen muchas ramificaciones conectadas a un solo ramal principal. Consiste en dimensionar los conductos igualando la reganancia estática causada por la reducción de velocidad con la caída de presión causada por la fricción en la zona subsiguiente a la unión. De esta manera se mantiene eficiente el uso de la energía y por ende es el más económico.
Método de la velocidad constante:
Procedimiento A Procedimiento B No se pueden cambiar los flujos
fácilmente.
Permite variar los flujos con las
compuertas.
Poca flexibilidad par ampliaciones
futuras.
Gran flexibilidad para ampliaciones.
No acumula polvos y hay poca
erosión
Si las compuertas están parcialmente
cerradas se acumulan polvos y se
incrementa la erosión.
Ideal para manejar explosivos y
contaminantes altamente tóxicos.
Contraindicado para el manejo de
sustancias explosivas y tóxicas.
Procedimiento largo en cálculos y por
ende posibilidades de errores.
Procedimiento muy rápido y seguro.
No hay taponamientos con
velocidades correctamente elegidas.
Contraindicado para sólidos
aglomerantes y húmedos.
Flujos calculados son mayores que
los requeridos.
Flujos concordantes con el diseño.
Si se escoge mal el ramal de mayor
caída de presión, el procedimiento lo
detecta fácilmente.
Mala selección del ramal de mayor
caída de presión pasa inadvertido y
por ende habrá mayor extracción en
ciertos ramales.
EJEMPLO MÉTODO VELOCIDAD CONSTANTE
EJEMPLO METODO DINAMICO Y EQUIFRICCIÓN
MÉTODO DE REGANANCIA ESTÁTICA
CONTAMINACIÓN POR CALOR
Confort Térmico es definido como el “estado mental
en el cual un grado de satisfacción es experimentado
dentro de un ambiente térmico”
Contaminación es la afectación que puede causar
enfermedad, trastornos fisiológicos, afectar la salud y el
bienestar del individuo, reversible o irreversiblemente.
INTERACCIÓN DEL HOMBRE CON
EL AMBIENTE TÉRMICO
SERES
VIVIENTES
CONDUCCIÓN
CONVECCIÓN
RADIACIÓN
EVAPORACIÓN
INTERACCIÓN DEL HOMBRE CON
EL AMBIENTE TÉRMICO
GENERACIÓN INTERNA
DE CALOR
(SERES VIVIENTES)
BARRERAS
TÉRMICAS
MEDIO AMBIENTE
FACTORES DETERMINANTES
CONDUCCIÓN DE CALOR: * POCO DETERMINANTE
CONVECCIÓN DE CALOR: * MUY DETERMINANTE
RADIACIÓN DE CALOR: *NO ES MANEJABLE.
EVAPORACIÓN: *MUY DETERMINANTE
GENERACIÓN DE CALOR: SEXO, RAZA, PESO, ESTATURA, Y ACTIVIDAD FÍSICA.
LAS BARRERAS TÉRMICAS: TIPO DE ROPA, COLOR Y PIEZAS VESTIDAS.
FACTORES DETERMINANTES
La convección de calor es dependiente principalmente de la velocidad del aire.
Velocidad mínima de percepción por el ser humano: 0.3 m/s
En términos de confort térmico, la velocidad del aire debe ser entre 2 y 3 m/s.
La evaporación de calor depende del contenido de humedad del aire y de la temperatura del aire.
La generación de calor es altamente dependiente de la
actividad física que realiza el individuo.
ESCALA DE VIENTOS DE BEAUFORT
VELOCIDAD ( m/s ) EFECTO DE ENFRIAMIENTO ( ºC )
0,1 0
0,3 1
0,7 2
1 3
1,6 4
2,2 5
3 6
4,5 7
6,5 8
DEFINICIONES BASICAS EN
SICROMETRÍA
Temperatura de bulbo seco: es la temperatura
normal registrada por los termómetros ordinarios.
Temperatura de bulbo húmedo: es la temperatura
registrada por un termómetro cuyo bulbo está
cubierto por una banda húmeda y expuesto a una
corriente de aire determinada.
Humedad relativa: es la razón que expresa la calidad
del aire húmedo, y su cantidad indica el porcentaje
del contenido de humedad con respecto al máximo
posible (saturación) a una misma temperatura.
Relación de humedad: también llamada humedad absoluta, es la cantidad de agua expresada en unidades de masa, por unidad de masa de aire seco.
Calor sensible: es el calor asociado a cualquier cambio de la temperatura de bulbo seco del aire.
Calor latente: es el calor asociado con el cambio de estado de la humedad en el aire.
Entalpía: es la propiedad termodinámica que representa la suma del calor sensible mas el calor latente.
Aire saturado: Es la condición termodinámica del aire cuando no acepta mas humedad a una misma temperatura.
INDICE DE ESFUERZO TÉRMICO
Qm = ±Qs + Qe ± Qr ± Qc
Qm = calor metabólico (siempre es positivo)
QS = calor almacenado en áreas submusculares.
Qe = calor liberado por evaporación (sudor).
Qr = calor ganado por radiación.
Qc = calor ganado por convección.
emax
e
Q
Q
nevaporació de máximoCalor
evaporadoCalor HSI
Tabla de implicaciones fisiológicas de la
exposición de un individuo durante 8
horas
0% Ningún efecto
10-30% Esfuerzo moderado.
En trabajos intelectuales se espera una
disminución en la eficiencia. En trabajos
pesados algún efecto se espera
dependiendo de la habilidad del individuo
a la aclimatación.
40-60% Esfuerzo térmico severo
Efectos pronunciados en la salud, a no ser
que se esté físicamente apto para estas
labores. Es deseable la selección del personal
por un médico, ya que estas condiciones no
son adecuadas para personas con problemas
cardiovasculares, dificultades respiratorias, y
dermatitis crónica. Estas condiciones no son
convenientes para trabajos intelectuales
tampoco.
70-90% Esfuerzo térmico muy severo.
Muy pocas personas califican para este
esfuerzo. El personal debe ser seleccionado
mediante a) examen médico b) prueba en trabajo
(después de periodo de aclimatización). Debe
asegurarse que se ingiera agua y sales. Se
requiere de períodos de descanso intermedio
para evitar una disminución de la eficiencia de
trabajo.
100% Máximo esfuerzo tolerado por personas jóvenes
y adecuadas
Relaciones para evaluar el flujo de calor:
Qc = 2 V0.5 ( Tb - T )
Qr = 22 ( Tb - Ts )
Qemax = 517 V0.4 ( Pw,s,h - Pw )
(W)
(W) (P) 6081=Pw
608.11
.
Q se obtiene en Btu/h, si T está en ºF y V en FPM.
PW,S,h es la presión parcial de saturación del cuerpo y que la asumimos igual a 0,816.
PW es la presión parcial del vapor de agua para el aire húmedo.
W es la humedad absoluta medida en condiciones determinadas.
Ejemplo # 10
Un hombre efectúa un trabajo moderado en un ambiente en donde el
aire está a 100 ºF de temperatura de bulbo seco y 70 ºF de
temperatura de bulbo húmedo. Si las superficies circundantes están a
90 ºF, y la velocidad del aire es de 75 FPM, encuentre bajo que
condiciones se realiza el trabajo?
El trabajo moderado lo tomamos de la tabla: Qm = 862 btu/h
Qe = 862 + 2 ( 75 )0.5 ( 100 - 95 ) + 22 ( 90 -95 )
Qe = 862 + 86.6 - 110 => QE = 838.6 btu/h
De la carta sicrométrica obtenemos la relación de humedad W, a
partir de los datos medidos:
Tdb = 100 ºF y a Twb = 70 ºF
P =(1.608)(14.7)(0.0088)
[1+1.608(0.0088)]w
PW = 0.205
Qemax = 517 ( 75 )0.4 ( 0.816 - 0.205 ) => Qemax = 1776.5
HSI = 838.6 / 1776.5 = 0.47 => HSI = 47%
De acuerdo a la tabla, el esfuerzo térmico es severo.
W= 0.0088 lb/lb
DILUCIÓN DEL CONTAMINANTE
TÉRMICO
Dimensiones del recinto o local.
Ocupantes y sus actividades.
Aportaciones de calor de las maquinarias y
procesos.
Humedad relativa.
Temperatura del aire exterior.
Emplazamiento del edificio.
Tipo de construcción del edificio.
Determinación del flujo necesario para
diluir el contaminante térmico
En la primera ecuación
Q está dado en m3/h
cuando el calor está
dado en Kcal/h y el DT
en °C.
En la segunda ecuación
Q está dado en CFM,
cuando el calor está
dado en Btu/h y el DT en
°F.
Q =Calor sensible total
T 0 288. D
Q =Calor sensible total
T 108. D
Calentamiento por radiación solar
a través del techo
Techo de cielo raso sobre caballetes cubiertas con tejas 100-140 Kcal/m2h
Techo de planchas onduladas de fibrocemento o zinc 375 Kcal/m2h
Techo con tejas de arcilla:
- Simple recubrimiento de doble maderamen 250 Kcal/m2h
- Doble recubrimiento de doble maderamen 225 Kcal/m2h
Vidrio: 3 a 6 mm sobre hierro con juntas embetumadas 735 Kcal/m2h
Calentamiento por radiación solar a
través de paredes:
Ganancia térmica en Kcal/h debida a motores
eléctricos:
Ejemplo # 11
Calcular la ventilación necesaria para un edificio emplazado en
el ecuador y cuyas dimensiones son 30m x15m x 7m de altura
hasta el alero. Las paredes son de bloque de 0.33m hasta 2m y
encima hasta el alero planchas onduladas de fibrocemento. 5
ventanas de 1m x 3m en cada uno de los muros largos y 3 en
los otros 2 muros. El techo es de fibrocemento, y está ocupado
por 100 personas sentadas realizando trabajos ligeros. Existen
25 motores eléctricos de 1.5 hp. Considere que las paredes
largas están orientadas al Este y al Oeste.
La hora más calurosa es a las 16h00, por lo tanto se calculan los incrementos de calor solar de la pared y techo orientadas al Oeste.
Área de la pared de bloques 30 x 2 = 60 m2
Área de ventanas 3 x 1 x 5 = 15 m2
Pared fibrocemento (- las ventanas) 30 x (7-2) -15 = 135 m2
Área del techo 30 x 15 = 450 m2
Las adiciones de calor usando las tablas dadas:
A través de la pared de bloques 60 x 44 = 2640 Kcal/h
A través de la pared de fibrocemento 135 x 170 = 22950 Kcal/h
A través de las ventanas 15 x 500 = 7500 Kcal/h
A través del techo 450 x 375 = 168750 Kcal/h
Proveniente de las personas 100 x 170 = 17000 Kcal/h
Proveniente de los motores 25 x 1202 = 30050 Kcal/h
TOTAL = 248890 Kcal/h
Tomando 3 ºC de incremento de temperatura:
248890/[3(0.288)] = 288067 m3/h
El flujo requerido es de 288.067 m3/h
ó de 170.000 CFM.
Conclusiones del ejemplo # 11
En la mayoría de las aplicaciones industriales, la mayor
cantidad de calor se obtiene de la ganancia térmica
solar a través del techo, usualmente alrededor del 50%.
Si tomamos por ejemplo las renovaciones
recomendadas para una sala de calderos, 60 cambios/h,
el flujo requerido sería de 189.000 m3/h, lo que daría
una falla del 35% aproximadamente, sin considerar que
una sala de calderos es mucho más calurosa que la
aplicación del ejemplo.
VENTILADORES
CLASIFICACIÓN
Son maquinas hidráulicas que comprimen el fluido de trabajo imprimiéndole una
energía cinética caracterizada por la velocidad con la que se desplaza dicho
fluido. La presión generada por éstas maquinas es baja, alrededor de 2.1 psi ó
1500 mm col H2O.
Ventiladores de baja presión 0 - 300 mm col H2O
Ventiladores de mediana presión 300 - 900 mm col H2O
Ventiladores de alta presión 900 - 1500 mm col H2O
Ventiladores Axiales
Ventiladores Centrífugos
VENTILADORES AXIALES
Su característica principal: producen un gran flujo y generan poca presión.
Axiales de superficie ancha.
Axiales de álabes aerodinámicos
PERFIL AERODINÁMICO
Características de los axiales
Presión: hasta 25 mm col H2O
Fácil construcción.
Económicos.
De gran diámetro y bajas revoluciones.
Reversibles de alta eficiencia.
Presión: hasta 150 mm col H2O.
Usualmente construidos por fundición de metales livianos.
Son los de mayor eficiencia.
De bajo diámetro y altas revoluciones.
Son mas pesados por el tipo de construcción.
Superficie ancha
Aerodinámicos
Curva característica
VENTILADORES CENTRÍFUGOS
Su característica principal: producen un flujo bajo y generan una gran
presión
Hélices radiales rectas.
Hélices curvadas hacia delante.
Hélices curvadas hacia atrás.
Las hélices curvadas hacia atrás y adelante pueden ser:
De sección recta.
De perfil aerodinámico.
Características de los centrífugos:
Hélices radiales rectas:
Simple de construir.
Su rendimiento es el mas bajo de los centrífugos.
Son autolimpiantes.
Bajo costo.
Son los recomendados para fluidos con sólidos en suspensión.
Características de los centrífugos: Hélices curvadas hacia atrás:
Son los centrífugos de mas alto rendimiento.
La eficiencia depende del ángulo de entrada del álabe y de la curvatura del anillo
de entrada.
Son utilizados para manejar aire limpio.
Generan las mayores velocidades tangenciales (punta del álabe).
Características de los centrífugos:
Hélices curvadas hacia delante:
Álabes de poca altura radial
Generalmente son de gran cantidad de álabes (alrededor de 48).
Álabes montados entre anillos laterales.
Son silenciosos.
Velocidad de salida es alta comparada con los curvados hacia atrás.
AXIALES : DE ALTO FLUJO Y
PRESIÓN En aplicaciones donde se requieren ventiladores axiales de alta
presión: CONEXIÓN EN SERIE
Para que la presión se incremente en 90% por etapa se requiere:
Álabes directrices estáticas en la succión y entre etapas.
CENTRÍFUGOS : DE ALTO
FLUJO Y PRESIÓN En aplicaciones en donde se requieren ventiladores centrífugos
de alto flujo: CONEXIÓN EN PARALELO
Ventiladores Eólicos
LEYES DE LOS VENTILADORES
Qa = Qb x (Da/Db)3 x (Na/Nb) x 1
TPa = TPb x (Da/Db)2 x (Na/Nb)2 x (ra/rb)
Pa = Pb x (Da/Db)5 x (Na/Nb)3 x (ra/rb)
Lwa = Lwb + 70 log (Da/Db) + 50 log (Na/Nb) + 20 log (ra/rb)
Ejemplo # 12
Un ventilador de simple etapa de 965 mm de diámetro da un flujo de 12000 m3/h a la
velocidad de 470 RPM, con una presión estática de 6 mm col H2O, y absorbiendo una
potencia de 0.32 Kw. Si se lo hace girar a un 70% de la velocidad original, cuál será el
nuevo flujo y la nueva potencia absorbida? Que sucede si la densidad el aire se
disminuye a 1.0 Kg/m3?
Usando la primera relación, los diámetros permanecen constantes:
Qa = 12000 ( 0.7 x 470)/470 = 8400 m3/h
P = 0.32 ( 0.7 x 470/470)3 = 0.11 Kw
Si la densidad cambia, el flujo no se altera. Se puede observar que la primera relación
no depende de la densidad:
Qa = 8400 m3/h
P = 0.32 ( 0.7 x 470/470)3 (1/1.2)
P = 0.09 Kw
DISPOSITIVOS DE LIMPIEZA DE AIRE
Existen dos categorías de estos dispositvos:
Filtros de aire
Colectores de polvo
Los filtros de aire son utilizados para remover polvo en concentraciones
pequeñas, en aplicaciones en sistemas de ventilación, aire acondicionado y
sistemas de calentamiento, donde la carga raramente excede de 1 grano por
cada 1000 pies3 de aire.
Los colectores de polvo son diseñados para cargas mucho mayores
provenientes de procesos industriales, sistemas de escape, chimeneas, etc.
La concentración de polvos fluctúan entre 0.1 a 20 granos por cada pie3
de aire.
Características de las partículas
sólidas
Partículas de tamaño menor a 0.1 mm se comportan similarmente a las moléculas y su movimiento aleatorio puede ser analizado bajo los principios físicos del movimiento browniano.
Partículas entre 0.1 y 2 mm siguen el comportamiento del gas que los transporta, y la ley de Stokes-Cuninham es usada para estudiar el comportamiento de estos sólidos.
Partículas entre 2 y 20 mm tienen un comportamiento errático, son muy dependientes del peso específico y para su estudio la ley de Stokes es una buena aproximación del comportamiento de estos sólidos.
Partículas mayores a 20 mm en adelante siguen la ley de Newton, tienen velocidades de asentamiento significativas y son aerotransportadas por cortos períodos de tiempo.
Factores que determinan la selección
de los colectores de sólidos
Las propiedades físicas y químicas de las partículas.
El flujo volumétrico de aire.
El rango esperado de concentración de las partículas.
La temperatura y la presión del flujo.
Humedad.
La condición requerida del aire tratado.
La eficiencia de colección.
La caída de presión causada por el colector.
El volumen y peso del colector, y ;
El costo del colector tanto en la inversión inicial como en el mantenimiento
CLASIFICACIÓN
Separadores gravitacionales.
Separadores centrífugos.
Separadores de impacto.
Separadores húmedos.
Separadores de mangas.
Separadores electrostáticos.
Separadores gravitacionales Estos colectores funcionan de tal manera que reducen la velocidad del aire a
valores menores de la velocidad de sustentación permitiendo que la
gravedad force la sedimentación de las partículas. Estos colectores son
eficientes para separar sólidos desde 10 mm en adelante, y alcanzan la
mayor eficiencia con sólidos mayores a 50 mm.
Dimensionamiento de los separadores gravitacionales
Vt= Q/LW Vt = (gdp2rp)/18 mg
Vt es la velocidad de sedimentación.
Q es el flujo volumétrico.
g es la gravedad.
dp es el diámetro de la partícula.
rp es la densidad de la partícula.
mg es la viscosidad del aire.
L es la longitud del separador.
W es el ancho del separador.
H es la altura del colector.
La eficiencia de colección es:
h = (VtL)/HV
La relación de la velocidad de sedimentación proviene de la ley de Stokes,
aplicada para partículas menores a 50 mm. Para partículas comprendidas entre
50 y 100 mm el error de usar esta relación es aceptable en ingeniería.
Separadores centrífugos
Reciben el nombre de ciclones.
Estos separadores emplean la fuerza centrífuga y la gravedad para separar a los sólidos en suspensión.
Características de los ciclones
Tienen una buena eficiencia de colección para partículas desde
5mm en adelante.
Los ciclones convencionales raramente tienen eficiencias
mayores al 90% para partículas menores a 25 mm.
El dimensionamiento de los ciclones es bastante complejo, y
generalmente se obtienen a base de prueba y error.
Las dimensiones del ciclón son obtenidas de manera indexada
al diámetro principal del mismo.
La caída de presión de los ciclones comunes está entre 0.5 y 2
pul col H2O.
Para ciclones de alta eficiencia, el rango está entre 2 y 6 pul col
H2O.
Dimensionamiento de los ciclones
B = Do/4
H = Do/2
L = 2 Do
d = Do/2
S = Do/8
Z = 2 Do
J = Do
DP = 39.7 K Q2 P2/T2
K = 21.334 Do-3.6308
Q es el flujo de aire en CFM, P la presión del aire en atmósferas y T la
temperatura en ºR. K es un factor empírico de diseño y depende del diámetro
principal del ciclón Do
Separadores
húmedos
Para separar sólidos a partir de 5 mm.
Utilizan agua finamente pulverizada.
Tienen buena eficiencia de colección hasta partículas de 0.1 mm.
Los arreglos mas comunes: cámaras de spray, ciclones húmedos y cámaras venturi.
El flujo de agua está en el rango de:
2 a 10 gal/min por cada 1000 CFM de aire para cámaras.
1 a 8 gal/min por cada 1000 CFM de aire para ciclones.
2 a 12 gal/min por cada 1000 CFM de aire para venturis.
Eficiencias de 95% de colección para partículas de 5 mm en adelante.
Para partículas menores a 1 mm deben usar toberas de alta presión para obtener buenas eficiencias.
La caída de presión está entre 1 y 2 pul col H2O para cámaras, entre 1 y 4 pul col H2O para ciclones y para venturis dependiendo del estrangulamiento.
Separadores
de manga
Para separar sólidos menores a 1 mm.
Utilizan filtros (mangas) para retener a las partículas sólidas.
Eficiencias típicas del 99% para tamaños de hasta 0.5 mm.
Eficiencias del 97% para tamaños de hasta 0.01 mm.
La caída de presión varía con el tamaño del espacio reticular y con los sólidos retenidos.
En filtros limpios la caída de presión está en el orden de 0.5 pul col H2O.
En promedio la caída de presión está entre 2 y 3 pul col H2O.
Cuando la caída de presión llega a 6 pul col H2O deben limpiarse.
Ventajas y desventajas de los
separadores de manga
Alta eficiencia de colección.
Extrema flexibilidad en el diseño.
Capacidades volumétricas considerables que van desde 100 hasta 5 millones de CFM.
Flexibilidad para acomodar diversos tipos de sólidos.
Altas caídas de presión.
Mayor espacio requerido para acomodar las mangas
Posibilidades de explosión.
Materiales higroscópicos difíciles de aglomerar.
Separadores electrostáticos
Opera basado en la atracción mutua entre partículas con una carga eléctrica y el electrodo colector de polaridad opuesta.
Capacidad de manejar altos volúmenes de aire.
Altas eficiencias de colección con sólidos de hasta 0.05mm.
Eficiencias de hasta el 99% con caídas de presión pequeñas: en el orden de 0.1 a 0.5 pul col H2O.
La velocidad del flujo dentro del colector está en el rango de 1 a 20 pies/min.
Potencia eléctrica requerida está en el rango de 0.05 a 0.5 Kw por cada 1000 CFM de aire.
TRANSPORTE NEUMÁTICO
El tratamiento analítico de este proceso es complejo y no se tienen relaciones derivadas de leyes físicas para la cuantificación del mismo.
El flujo es multielemento (varios constituyentes) y bifásico (gas+sólidos).
La cuantificación es semiempírica y se tienen limitaciones dependiendo de:
La densidad de los sólidos.
La relación masa de sólidos-masa del gas.
La velocidad del aire.
Si la relación sólidos-aire es baja y la velocidad del aire es alta, los sólidos estarán suspendidos y uniformemente distribuidos en el flujo de aire.
Si la relación sólidos-aire es baja y la velocidad del aire es baja, los sólidos viajarán en el ducto rebotando a lo largo del mismo.
Si la relación sólidos-aire es alta y la velocidad del aire es baja, los sólidos se acumularán en el conducto formando dunas y las partículas viajarán de duna en duna.
Metodología del dimensionamiento
La relación sólidos-aire depende de la capacidad de transporte que se requiera.
La velocidad del aire necesario depende de la velocidad de sustentación o acarreo.
La caída de presión depende:
Las características abrasivas del sólido.
Del flujo de aire necesario.
De la cantidad de sólidos transportados.
Del diámetro y accesorios de los conductos.
La potencia del ventilador depende del flujo y de la caída de presión.
Metodología del dimensionamiento
Della Valle propuso la siguiente correlación para partículas menores de 8 mm y densidades menores de 2643 Kg/m3:
Para conductos horizontales:
V = C Dc, h 1 s0.4
r
r
s
s C
2
Vc,h es la mínima velocidad de sustentación, rs es la densidad de las
partículas sólidas, Ds es el diámetro de la partícula más grande a ser
transportada, C1 es una constante dimensional e igual a 132.4 en el SI y
270 en unidades Inglesas, y C2 otra constante dimensional e igual a 998
en el SI y 62.3 en el sistema Inglés.
Para conductos verticales:
V = C c, v 1
r
r
s
s
s
CD
2
0.6
C1 es una constante dimensional e igual a 566 en el SI, y 910 en unidades Inglesas, y C2 otra constante dimensional e igual a 998 en el SI y 62.3 en el sistema Inglés.
Metodología del dimensionamiento
Para bajas relaciones sólidos-aire (<10) las velocidades de transporte son generalmente mayores a 15 m/s.
Para altas relaciones sólidos-aire (>20) las velocidades de transporte son generalmente menores a 7.5 m/s.
La velocidad del aire es aproximadamente el doble de la velocidad de los sólidos.
La presión total (TP) no debe ser tan alta de tal manera que exceda la máxima presión alcanzada por los ventiladores.
1.- Por aceleración del aire desde el reposo hasta la velocidad de acarreo:
2.- Por la aceleración de las partículas sólidas desde el reposo hasta la
velocidad de transporte:
3.- Por la fricción causada por el aire fluyendo por los ductos:
4.- Por la fricción causada por la acción combinada entre los sólidos, el aire
y la tubería. Se asume que la fricción combinada puede ser expresada por la
ecuación del factor de fricción para el aire:
DP =V
2ga, g
g2
c
rdg
DP =V
ga, s
s2
c
rds
DP =4f L V
g Df, g
g g
2
c t
rdg
2
DP =4f L V
2g Df, s
s2
c t
srds4f =
3 D C
2 D
V - V
Vs
t
s
g s
s
r
r
g
s
2
Metodología del dimensionamiento
Cuando el conducto tiene también componentes verticales, la
longitud de las ecuaciones 3 y 4 deben tomarse incluyendo las
longitudes de los tramos verticales, y se adicionará a la caída de
presión hallada en los puntos 1, 2, 3 y 4 las siguientes:
5.- Por el soporte de la columna de aire:
6.- Por el soporte de la columna de sólidos:
DP =g L
gh, g
c
rdg
c
sh,
g
gL=P
dsrD
Metodología del dimensionamiento
fg se lo puede obtener a partir del diagrama de Moody
en donde el número de Reynolds se lo calcula con la
siguiente ecuación: Re= DtVgrg/mg en donde mg es la
viscosidad cinemática del aire. También puede ser
calculado a partir de las siguientes relaciones:
rdg es la densidad del aire disperso, rds es la densidad
del sólido disperso, gc es la constante dimensional, rg
es la densidad del aire, rs es la densidad del sólido, DP
es la caída de presión, Vs es la velocidad real del
sólido, Vg es la velocidad real del aire, Ds es el diámetro
de la partícula sólida, Dt es el diámetro de la tubería, L
es la longitud de la tubería, fg es el factor de fricción de
fanning, fs es el factor de fricción de los sólidos.
Para flujos laminares, es decir cuando Re<2000, fg=16/Re. Para flujos turbulentos, es decir cuando Re>3000, fg puede ser obtenido a partir de la ecuación trascendental obtenida por Prandtl:
y para números de Reynolds muy grandes, Re>105, el factor de fricción puede ser obtenido a partir de la ecuación de Blassius:
14
1256
f R fg e g
log
.
f =0.0791
Rg
e
0.25
Coeficiente de arrastre C