Sistemas de Tiro Forzado

7/24/2019 Sistemas de Tiro Forzado

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PDVSA N TITULO

REV. FECHA DESCRIPCION PAG. REV. APROB. APROB.

APROB. FECHAAPROB.FECHA

TRANSFERENCIA DE CALOR

1994

MDP05F04 SISTEMAS DE TIRO FORZADO

HORNOS

NOV.950 25

MANUAL DE DISEO DE PROCESO

ESPECIALISTAS


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TRANSFERENCIA DE CALORHORNOS

SISTEMAS DE TIRO FORZADO

NOV.950

PDVSA MDP05F04

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Indice

1 OBJETIVO 2. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

2 ALCANCE 2. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

3 REFERENCIAS 2. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

4 CONSIDERACIONES BASICAS DEL DISEO 3. . . . . . . . . . . . . . . . .

4.1 Quemadores 3. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

4.2 Ductos 3. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

4.3 Ventilador 6. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

4.4 Control de ruido 9. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

4.5 Seguridad 9. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .4.6 Control del flujo del aire de combustin 10. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

4.7 Medicin del flujo de aire 11. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

5 PROCEDIMIENTOS DE CALCULO 11. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

6 NOMENCLATURA 16. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

7 APENDICES

Tabla 1 Informacin para la especificacin de diseo del ventiladory el ducto 18. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

Figura 1 Sistema de tiro forzado tpico 19. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

Figura 2 Curvas caractersticas tpicas para ventiladores de tiro forzadocon curva regraficada del sistema de resistencia 20. . . . . . . . . . . . .

Figura 3.A Curvas psicromtricas (unidades SI) 21. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

Figura 3.B Curvas psicromtricas (unidades inglesas) 22. . . . . . . . . . . . . . . . . . .

Figura 4 Velocidad del aire contra cabezal dinmico 23. . . . . . . . . . . . . . . . . . .

Figura 5 Cambio de la densidad del aire con la altitud 24. . . . . . . . . . . . . . . . . .

Figura 6 Prdidas de presin en codos 25. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
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1 OBJETIVO

Presentar informacin bsica que pueda usarse en la evaluacin de ofertasquemadores nuevos para hornos de proceso. Esta informacin cubre criterios dediseo que sean propietarios de PDVSA y sus filiales.

El tema Hornos, dentro del area de Transferencia de Calor, en el Manual deDiseo de Procesos (MDP), estcubierto por los siguientes documentos:

PDVSAMDP Descripcin de Documento

05F01 Hornos: Principios Bsicos.

05F02 Hornos: Consideraciones de diseo.

05F03 Hornos: Quemadores.05F04 Hornos: Sistemas de tiro forzado (Este documento).

05F05 Hornos: Precalentadores de aire.

05F06 Hornos: Generadores de gas inerte.

05F07 Hornos:Incineradores.

Este documento, junto con los dems que cubren el tema de Hornos, dentro delManual de Diseo de Procesos (MDP) de PDVSA, son una actualizacin de laPrctica de Diseo HORNOS, presentada en la versin de Junio de 1986 delMDP (Seccin 8).

2 ALCANCEEsta subseccin cubre el ventilador, el ducto y la instrumentacin requerida parael sistema de quemador de tiro forzado. Los requerimientos adicionales parasistemas, que contienen precalentadores de aire son cubiertos en el documento

PDVSAMDP05F05.

3 REFERENCIAS

Manual de Diseo de Proceso (versin 1986)

Vol VII y VIII, Seccin 12 Instrumentacin Vol VIII y IX, Seccin 15 Seguridad en el diseo de plantas

Manual de Ingeniera de Diseo

PDVSAMIDB201PRHornos de fuego directo

PDVSAMIDGB205Ventiladores centrfugos

PDVSAMIDGB206 Sopladores de uso general

PDVSAMIDK337: Furnace instrumentation
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PDVSAMIDLTP2.7 Hornos de proceso: Requisicin, anlisis de ofertas

y detalles de compra

PDVSAMIDSN252: Control de ruidos en equipos

PDVSAMIDSN291: Control de ruidos de plantas: filosofia de diseo

Manual de Ingeniera de Riesgo

PDVSAIRP01 Sistema de paradas de emergencia, bloqueo,

despresurizacion y venteo de equipos y plantas

Manual de Inspeccin

PDVSAPI121201: Control de ruido

Otras Referencias

Fan Engineering, R. Jorgensen, Editor, Buffalo Forge Company, Buffalo, N.Y.(1961)

Plant Energy Systems, McGrawHill Book Company, N.Y. (1967) (Captulosobre Ventiladores)

4 CONSIDERACIONES BASICAS DEL DISEOLa Tabla 1 lista la informacin necesaria del ventilador y ducto en la forma que debeser presentada en la seccin del horno sobre la especificacin segn el diseo.

Esta incluye los requerimientos no cubiertos por los siguientes documentos: PDVSAMIDB201PRHornos de fuego directo

PDVSAMIDGB205Ventiladores centrfugos

PDVSAMIDGB206 Sopladores de uso general

La seguridad requerida y la instrumentacin de control deben presentarse en eldiagrama de flujo de especificacin del diseo. Cualquier conexin deinstrumentos debe mostrarse en la grfica del horno, de tal manera de ubicarapropiadamente estas conexiones.

4.1 Quemadore s

La seleccin y el arreglo de los quemadores de tiro forzado estn cubiertos en los

documentos PDVSAMDP05F02 / 03. Cuando se dimensione elventilador y el ducto, el diseador debe saber la presin de aire requerida a laentrada delquemador para flujo normal y mximo.

4.2 Ductos

El aire es conducido desde la atmsfera al ventilador y desde el ventilador a losquemadores de tiro forzado. LaFigura 1. muestra un sistema tpico del ducto.
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4.2.1 Arreglo del ducto

El ducto debe localizarse de forma que:1. Los quemadores puedan removerse.

2. Las rutas de escape del personal estn disponibles.

3. Haya espacio suficiente para mantenimiento del equipo debajo del horno.

Se recomienda el mximo uso de ductos subterrneos, para minimizar el reacongestionada y facilitar el acceso para la operacin y el mantenimiento.

4.2.2 Entrada del ventilador

Para evitar daos potenciales de materiales extraos que entren al ventilador, el

ducto de entrada del ventilador (o la entrada misma del ventilador, si no se usaducto) debe estar cubierto por una malla de alambres separados cada 38 mm (1.5pulg). No se deben usar mallas ms finas en climas con invierno, ya que stastienden a congelarse durante el invierno o pueden taponarse con material fino. Enel diseo se incluiruna tapa cnica contra la lluvia (Ver Tabla 1) para evitar queel agua entre al ventilador.

4.2.3 Descarga del ventilador

El ducto desde la descarga del ventilador incluye (Ver Figura 1):

1. Ducto de alimentacin Conecta el escape del ventilador y el ducto dedistribucin.

2. Ducto interconector Conecta el sistema de ductos de dos hornos. Esteducto permite operar dos hornos con un ventilador comn.

3. Ducto de distribucin Es un colector el cual debe ser di mensionadopara asegurar igual flujo de aire a todos los quemadores.

4. Ducto ascendenteConecta los quemadores con el ducto de distribucin.

4.2.4 Construccin

Los ductos por encima del piso deben estar construidos de acero al carbn de porlo menos 5 mm (3/16 pulg) de espesor y reforzados para minimizar vibraciones.

4.2.5 Compuertas

Se debe instalar una compuerta de aislamiento en el ducto interconector entre losdos hornos (aun si ambos hornos estn en una caja comn, como por ejemplo,termoreactores (Powerformers)). El diseador debe incluir este punto en lasespecificaciones.

Las siguientes compuertas deben ser instaladas en el ducto:

1. Compuertas de cierre hermtico en cada quemador, aguas arriba de labrida del quemador y que sea operable localmente.
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2. Compuerta de cierre hermtico en la descarga del ventilador.

3. Si dos o ms ventiladores descargan en un ducto comn, cada ventiladordebe estar provisto con una compuerta automtica que evite el flujo reversoa travs del ventilador cuando est fuera de operacin (igual que unavlvula de no retorno). Esta compuerta automtica no es necesaria si seinstala una compuerta aislante entre el ducto que conecta los dosventiladores.

4.2.6 Tamao del ducto

El tamao del ducto (rea de la seccin transversal) para un flujo de aireespecfico, es fijado por la velocidad del aire segn diseo. Una velocidad baja

resultar en un ducto excesivamente grande y costoso. Por otro lado, unavelocidad de diseo muy alta resultaren una cada de presin elevada y un altocosto de energa. Una velocidad del aire segn el diseo en ductos alimentadorese interconectores de 12 m/s (40pie/s) ha resultado en un tamao de ducto y cadade presin razonables. El uso de velocidades mayores no es recomendable a noser de que se justifique mediante un estudio econmico.

La velocidad del aire en el ducto de distribuciny en los ductos ascendentes, siellos alimentan ms de un quemador (Ver Figura 1)deben ser lo suficientementebaja para asegurar el mismo flujo de aire a todos los quemadores. Esta velocidadpuede ser menor que la ptima recomendada anteriormente (12 m/s (40 pie/s)).

El flujo uniforme de aire a los quemadores del ducto de distribucin se aseguralimitando la velocidad de tal manera que el cabezal dinmico (presin develocidad) en este ducto sea menor que 5% de la presin esttica requerida en elregistro del quemador a flujo normal.

El ducto que alimenta al quemador debe ser del mismo tamao que el registro delquemador.

4.2.7 Cada de presin

La cada de presin en el ducto debe ser calculada antes que los requerimientosfinales del diseo del ventilador sean establecidos. Debido a que el arreglo y

tamao final del ducto son generalmente establecidos por el contratista, losclculos de cada de presin son normalmente elaborados tambin por elcontratista durante la ingeniera de detalles y son revisados por el grupo deingeniera de la filial propietaria. Los procedimientos para el clculo de cada depresin del ducto estn dados en el punto sobre Procedimiento de clculos. Lacada de presin calculada en ductos de distribucin y ductos ascendentes debebasarse en flujo de aire normal (combustible quemado de diseo en el hornosegn el exceso de aire tambin de diseo dividido por el nmero total dequemadores).


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4.3 Ventilador

El ventilador es el elemento clave en el sistema de tiro forzado. Debido a que losventiladores normalmente no tienen equipo de respaldo, la falla de un ventiladorresulta en la parada del horno en una instalacin sencilla, o en reduccin de lacarga de la unidad si se usa ms de un ventilador para proveer el aire decombustin. Los fabricantes raras veces garantizan una combinacinventilador/motor para un tiempo de operacin consistente con la corrida deseadadel horno, la cual puede ser tan larga como de 3 a 4 aos. Por lo tanto, para proveeruna combinacin ventilador/motor para la corrida deseada, se deben especificarcuidadosamente lineamientos crticos de dichos equipos, tales como cojinetes ylubricacin. En el PDVSAMIDGB205, se definen estos requerimientos dediseo.

Adems de la confiabilidad, el ventilador debe calcularse apropiadamente parasuministrar el flujo de aire segn la presin requerida por los quemadores.

4.3.1 Nmero de ventiladores

Los ventiladores normalmente no tienen equipo de respaldo. Un ventilador porhorno es suficiente, excepto para unidades cricas, tales como hornosatmosfricos, donde la parada del horno implica necesariamente la parada de lasunidades instaladas aguas abajo. En estas unidades cricas se debe proveer dosventiladores, cada uno dimensionado para 50% del flujo de aire normal. Con unode los dos ventiladores en operacin, el horno puede operar a 85% de la capacidad

de diseo, debido al margen de flexibilidad incorporado en el criterio dimensionaldel ventilador, y debido a que un solo ventilador operara un cabezal ms bajosobre su curva caracterstica.

En unidades no crticas, el uso de ms de un ventilador por horno es algunas vecesdeseable, como por ejemplo, cuando tales ventiladores son respaldo de losventiladores de otros hornos, minimizando de esta forma los requerimientos derepuestos.

4.3.2 Especificacin del ventilador

La especificacin de un ventilador para cumplir con los requerimientos discutidosanteriormente tiene dos partes:

1. Requerimientos generales para ventiladores de tiro forzado Casitodos estos requerimientos generales del ventilador estn cubiertos en

PDVSAMIDGB205/ 206 y no deben repetirse en la Especificacin delDiseo (Simplemente debe anexarse estos documentos). Aquellosrequerimientos no cubiertos por los documentos del manual de ingenierade diseo, se presentan en la Tabla 1.

2. Criterios para dimensionar el ventilador Para dimensionar unventilador, se debe especificar su punto nominal. El punto nominal y la
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informacin necesaria para definirlo cuantitativamente se discute ms

adelante.4.3.3 Curvas del ventilador

La Figura 2 muestra el cabezal esttico contra las caractersticas del flujo para unavelocidad constante tpica, de un ventilador centrfugo con aletas curveadas haciaatrs (backward curved blades). Estas aletas se especifican con preferenciasobre las aletas en sentido directo (straight or forward curved blades), debido aque la eficiencia pico de un ventilador con aletas curveadas retradas ocurre muycerca del punto de mximo consumo de electricidad del ventilador; de estamanera, se minimiza la potencia del motor.

Como puede verse en la Figura 2, el ventilador tiene una curva caracterstica

separada por cada posicin variable de las paletas guas de entrada, las cualesse usan para controlar el flujo de aire. En esta Figura tambin se muestra losiguiente:

1. Curva de resistencia del sistema Esta curva muestra el cabezal delventilador necesario para vencer la cada de presin del sistema a un flujode aire dado. La cada de presin del sistema incluye la presin para forzar

el aire a travs de los quemadores (Ver PDVSAMDP05F03), lasprdidas de presin del ducto y las prdidas en cualquier regulador de tiroo medidores de flujo. Por lo tanto, la curva de resistencia del sistema es lalnea de operacin del ventilador. Cualquier incremento en la

contrapresin, tal como resulta si se le cierra el registro a un quemador,mueve hacia arriba esta curva. La curva de resistencia del sistema estambin mayor cuando el horno opera con algunos quemadores apagados,aun cuando el aire total es constante.

La lnea de operacin (curva de resistencia del sistema) estdefinida por:

H Hn F2vF2vn RFv2 Ec. (1)

donde:

En unidadesSI

En unidadesinglesas

Fv

=

Flujo volumtrico

dm3/s

pie3/min

Fvn

=

Flujo volumtrico para flujo decombustible normal

dm3/s

pie3/min

H

=

Cabezal esttico segn Fv

kPa

pulg de agua

Hn

=

Cabezal esttico para flujo decombustible normal

kPa

pulg de agua

R

=

Resistencia del sistema = Hn/(Fvn)2
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NOTA:

Use la temperatura de verano y la humedad, y corrija por la altitud (de ser necesario) para definirla lnea de operacin.

2. Puntos de operacin del ventilador Estos son las intersecciones de lacurva de resistencia del sistema con las curvas caractersticas delventilador.

3. Punto nominal del ventilador Este no es un punto real de operacin,pero incluye los mrgenes de flujo y cabezal definidos ms adelante. Estosmrgenes son necesarios para proveer un factor de seguridad sobre elhorno y el sistema, y para asegurar que el ventilador no estoperandonormalmente con sus aletas completamente abiertas (es decir, sin control).

4. Estabilidad del ventilador La operacin del ventilador es inestablecerca y al lado izquierdo de los picos de las curvas caractersticas. En estaregin inestable, cualquier reduccin en el flujo de aire (lo cual resulta si secierra el registro del quemador) reduce el cabezal del ventilador, lo cualproduce otra reduccin en el flujo de aire. Para asegurar una operacinestable, el cabezal esttico debe mostrar un aumento continuo de flujo deaire, desde el nominal hasta un 60% por arriba del mismo. Esto es requeridopor PDVSAMIDGB205.

4.3.4 Tamao

Para proveer un tamao apropiado del ventilador, se debe definir el punto nominal

del ventilador (Ver Figura 2). En este punto nominal, el ventilador debe proveer losiguiente:

1. 115% del flujo de aire (flujo msico) necesario para el diseo de quemadodel horno y el exceso de aire.

2. 115% del cabezal esttico requerido para vencer la suma de la cada depresin del ducto ms la cada necesaria de presin en el quemador parala mxima cantidad de combustible quemado.

El ventilador debe ser dimensionado en base a la temperatura del aire en veranoy la humedad relativa dependiendo de la altura de la instalacin. No se necesitacorreccin por altitud a menos que la instalacin esta 300m (1000 pie) o ms porencima del nivel del mar. Los clculos necesarios para establecer el punto nominalnormalmente son elaborados por el vendedor del horno, usando la informacinsuministrada en la Especificacin de Diseo (Tabla 1). Ver los procedimientos declculos ms adelante.
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4.4 Control de ruido

La emisin del ruido del ventilador y del ducto deben cumplir con los criterios deconservacin definidos en el documentoPDVSAMIDSN252, Control deruido en equipos. Para asegurar que estos criterios de ruido se cumplan, alsistema ventilador/ducto se le deben incorporar los siguientes lineamientos (Tabla1):

4.4.1 Elevacin

La entrada al ventilador debe estar 4.6 m (15 pie) por encima de la primeraplataforma del horno.

4.4.2 Aislamiento

El ducto y casco del ventilador deben ser cubiertos con, por lo menos, 50 mm (2pulg) de aislamiento fundible (densidad entre12801600 kg/m3) (80 a 100 lb/pie3).

Adems de cumplir con los criterios de conservacin de ruido, la contribucin delruido del sistema ventilador/ducto debe ser consistente con el criterio de ruido dela comunidad para una instalacin en particular.

4.5 Seguridad

Los hornos equipados con sistemas de tiro forzado requieren ciertos lineamientosde seguridad adicionales en comparacin a los hornos de tiro natural, y seresumen a continuacin:

4.5.1 Prdida de aire de combustin

El combustible principal y el combustible piloto deben cerrarse automticamentey debe sonar una alarma en caso de que el flujo de aire estbloqueado o en casode que el ventilador falle. Esto puede llevarse a cabo por una de las siguientescausas (en orden de preferencia):

1. Interrupcin por bajo flujo, si estsiendo medido el aire de combustin.

2. Interruptor de presin diferencial a travs de la entrada y descarga de losventiladores, fuera de cualquier estrangulamiento o dispositivo de cierre.

3. Interruptor de presin diferencial a travs de los quemadores.

4.5.2 Sobrepresin del horno

La presin mxima interna que puede soportar un horno sin daos en su estructuraes de 1.25 kPa (5 pulg H2O). Debido a que el ventilador es capaz de liberarpresiones mayores, el horno debe estar protegido de la sobrepresin, la cualpuede resultar si la salida del horno estuviera bloqueada. Se deben tomar encuenta los siguientes lineamientos para evitar sobrepresin:

1. Alarma por alta presin, suena cuando la presin del horno llega a serpositiva, es decir 0.025 kPa (0.1 pulg de agua).
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2. Compuertas o reguladores parciales en el ducto del gas de combustin.

Estas compuertas deben ser dimensionadas para proveer una cadamxima de presin de 1.25 kPa (5 pulg de agua) en la posicin totalmentecerrada con flujo de aire normal. Si estos reguladores resultan pocoprcticos (por ejemplo, cuando se usa precalentador de aire), se debeinstalar un dispositivo de alivio para asegurar que la presin del horno nose exceda de 1.25 kPa (5 pulg H2O). En el documento

PDVSAMDP05F05 se discute el dimensionamiento de lasventanillas de alivio de presin.

4.5.3 Parada del horno

Los ventiladores deben continuar en operacin cuando se paraliza el horno por

medio de equipos de seguridad, tales como los pilotos de gas PLCO.

4.6 Control del flujo del aire de combustin

Para proveer el exceso de aire apropiado a diferentes cargas del horno, se debeajustar el flujo de aire a los quemadores. Para controlar el flujo de aire en elventilador, se prefieren las aletas guas de posicin variable (Variable positionInlet guide vanes). Cuando las aletas de entrada estn cerradas, el aire que entrarecibe un giro en la direccin de la rotacin del ventilador. Este giro resulta en uncabezal esttico y consumo de potencia (horsepower, HP) reducido para un flujode aire dado (VerFigura 2).

Otros mtodos para controlar el flujo de aire, tales como variando la velocidad delventilador o usando un regulador variable en la descarga del ventiladorgeneralmente no se usan. El estrangulamiento de la descarga del ventiladorincrementa la curva de resistencia del sistema (VerFigura 2), requirindose mayorenerga para el mismo flujo de aire y la misma presin de descarga (aguas abajodel regulador de estrangulamiento). Para variar la velocidad del ventilador serequiere un motor de velocidad variable, el cual es mucho ms costoso que lasaletas de control en la entrada. Aun cuando el estudio econmico determine el usode una turbina, la cual escapaz de operar con velocidades variables, es preferibleutilizar la turbina con velocidad constante en combinacin con las aletas de control,ya que esto resulta en un sistema menos complicado.

La posicin de las aletas guas en la entrada pueden ser controladas por:

1. Un Posicionador manual local,tal como un volante manual.

2. Un Posicionador hidrulico o neumticocontrolado desde la sala decontrol. Este mtodo es preferible cuando la indicacin del analizador deoxgeno est instalada en la sala de control. Usando la indicacin deoxgeno como gua, el panelista ajusta la posicin de acuerdo al exceso deoxgeno deseado. Debido a que la presin en la caja del quemador es unamedida del flujo de aire al quemador (Ver documento
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PDVSAMDP05F05), sta se puede usar como referencia para

verificar el flujo de aire al horno instalando un indicador de presin en la salade control.

3. Un Sistema de control automtico, que fije el flujo de aire como unafuncin del combustible que se quema para mantener un nivel de excesode aire previamente fijado. El control automtico debe ser usado slocuando condiciones especiales aslo requieran.

4.7 Medici n del flujo de aire

Normalmente, no se provee ninguna forma de medir el flujo de aire. En caso deque requerimientos especiales, tales como control automtico aire/combustible,determinen que se debe medir el flujo de aire, un venturi en la entrada delventilador es el dispositivo ms prctico para este propsito. El venturi tambinpuede ser instalado en la descarga del ventilador, como es el caso de los ductossubterrneos, tomando en cuenta que haya suficiente longitud recta entre la salidadel ventilador y la entrada del venturi para buenas mediciones.

Las placas de orificio requieren demasiada cada de presin comparadas con elventuri, y por lo tanto, un ventilador ms grande. Los tubos Pitot requieren unamayor velocidad de aire que la disponible en los ductos a fin de lograr medicionesconfiables.

Debido a que el flujo de aire debe ser medido slo en situaciones especiales, los

detalles para especificar el sistema de medicin no son cubiertos en esta Prcticade Diseo.

5 PROCEDIMIENTOS DE CALCULO

Flujo requerido de aire seco a una cantidad dada de combustible

Wa Fg (FG1) Ec. (2a)

donde:

En unidades

SI

En unidades

inglesas

Wa

=

Flujo msico del aire,

kg/s de aireseco

lb/h de aire seco

Fg

=

Combustible total requerido

kg/s

lb/h

FG

=

Masa de gas de combustin/masa decombustible (Figuras 22A/B,PDVSAMDP05F01)

kg/kg

lb/lb

Wa F47 Qf 100 EA100 Ec. (2b)
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donde:

En unidadesSI

En unidadesinglesas

Qf

=

Calor liberado (PCI)

MW

BTU/h

EA

=

Porcentaje de exceso de aire

%

%

F47

=

Factor cuyo valor depende de launidades usadas

0.344

0.0008

Flujo volumtrico del aire a condiciones ambientales especficas

Dado: Temperatura, humedad relativa y flujo msico del aire seco

Encontrar: Flujo volumtrico, Fv

De la grfica psicromtrica (Figura 3) determine v = volumen especfico en m3

/kgaire seco (pie3/lb aire seco).

Fvv WaF48

Ec. (3)

donde:

En unidadesSI

En unidadesinglesas

Qf

=

Calor liberado (PCI)

MW

BTU/h

F48

=


103

60

Correccin de flujo volumtrico por altitud

(Fv)corr1.0Sa

(Fv) nivel del mar Ec. (4)

donde:

En unidadesSI

En unidadesinglesas

Sa

=

Densidad relativa del aire a la altitud

deseada (Figura 5)

MW

BTU/h

Si la altitud es menor de 300 m (1000 pie) por encima del nivel del mar, estacorreccin se puede omitir.

Velocidad del aire en ductos de distribucin

Ver Figura 1 para la definicin de ductos de distribucin. Si un ducto ascendentealimenta dos o ms quemadores, se puede considerar como un ducto dedistribucin. El cabezal de velocidad no debe exceder del 5% de la presin de airerequerida en la entrada del quemador.


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Ejemplo: Presin del quemador = 3.0 kPa (12 pulg de agua)

Velocidad por Presin = 0.15 kPa (0.6 pulg de agua)De la Figura 4, la velocidad del aire = 15.8 m/s (52 pie/s). Sin embargo, el flujo deaire en el ducto no debe exceder los 12 m/s (40 pie/s). Por lo tanto, se debe usarel valor de 12 m/s (40 pie/s) para los clculos de cada de presin.

NOTA: En este clculo se pueden omitir los efectos de temperatura yaltitud sobre la densidad del aire.

Prdidas de presin en ductos rectos

Se puede usar una velocidad de aire de 12 m/s (40 pie/s) para todos los ductosexcepto para los ductos de distribucin. Calcule la cada de presin usando las

correlaciones normales de flujo de fluidos. Ver PDVSAMDP(Pendiente:consultar MDP versin 1986, Seccin 14). Para la cada de presin en un ductode rea transversal rectangular, el dimetro equivalente dc= (2 x y/( x + y )), dondex, y son las dimensiones de los lados del rectngulo.

Otras prdidas de presin de ductos

Codos, tuberas en forma de t y cambios en el area de flujoUse el siguienteprocedimiento:

dc2 x y(x y) Ec. (9)

donde:

En unidadesSI

En unidadesinglesas

dc

=

Dimetro hidrulico equivalente (para unducto circular con la misma prdida defriccin)

m

pie

x

=

Profundidad del ducto

m

pie

y

=

Ancho del ducto

m

pie

1. Prdidas por friccin a travs de la compuerta (Damper)Con lacompuerta completamente abierta

Ec. (5)P3 0.025 kPa P3 0.10 pulg de agua

2. Prdidas adicionalesEstas cadas de presin dependen del arreglo delducto y de la chimenea. Ellas incluyen expansiones y contraccionesrepentinas, codos e intersecciones de corrientes de gases de combustin.La suma de estas prdidas adicionales se designa como P4.


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a. Expansin Repentina

Ec. (6)Pe F29V1V2

2

Tg F18

donde:

En unidadesSI

En unidadesinglesas

Pe

=

Prdida de presin debido a unaexpansin repentina

kPa

pulg de agua

V1

=

Velocidad de los gases de combustinaguas arriba de la expansin

m/s

pie/s

V2

=

Velocidad de los gases de combustinaguas abajo de la expansin

m/s

pie/s

Tg

=

Temperatura de los gases de combustinen el punto en cuestin

C

F

F18

=

Factor cuyo valor depende de lasunidades usadas

273.15

459.6

F29

=

Factor cuyo valor depende de lasunidades usadas

0.176

0.1186

b. Contraccin Repentina

Ec. (7)Pc F29 K1V2

2

Tg F18

donde:

En unidadesSI

En unidadesinglesas

Pc

=

Prdida de presin debido a unacontraccin repentina

kPa

pulg de agua

K1

=

Coeficiente para la prdida de contraccin(Ver MDP versin 1986, Seccin 14);utilice un valor de la siguiente tabla

A2/A1

0.0

0.2

0.4

0.6

0.8

1.0

K1

0.5

0.42

0.34

0.25

0.15

0.0

A2

=

Areas aguas abajo

m2

pie2

A1

=

Areas aguas arriba

m2

pie2


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c. CodosLas prdidas en codos son detalladas en la Figura 6. Parasistemas donde la altura de la chimenea es determinada por losrequerimientos de tiro del horno, asuma el uso de codos angulares(miter bend) con placas deflectoras. Estas placas deben incluirse enla especificacin de diseo. Para sistemas donde la altura de lachimenea es fijada por requerimientos locales (por ejemplo, controlde contaminacin), es decir, que el tiro disponible excede el tirorequerido, asuma el uso de codos redondeados con Rt/x = 0.5 y sinusar placas deflectoras.

d. Intersecciones Las intersecciones tpicas de las corrientes degases de combustin se muestran en la Figura 12, del documentoPDVSAMDP05F02. Estas prdidas son adicionales a lasprdidas de codos normales, expansiones y contracciones.

SilenciadoresSi se usan silenciadores, obtenga los datos de prdidas de presindel fabricante.

Estimacin de la potencia del motor

Utilizando la Ecuacin (8) se puede estimar la potencia del motor en formaaproximada, la cual es de gran utilidad para determinar el consumo de servicios:

PF49 (Fv)corr HMN Ec. (8)

donde:

En unidadesSI

En unidadesinglesas

P

=

Consumo elctrico aproximado

KW

HP

(Fv)corr

=

Flujo de aire (de la Ecuacin 4))

dm3/s

pie3/min

H

=

Cabezal esttico del ventilador

kPa

pulg de agua

M

=

Factor de carga; use 1.05

N

=

Eficiencia esttica del ventilador; use0.70

F49

=


9.96x10

4

1.576x10

4

La Ecuacin (8) puede ser utilizada para estimar el tamao del motor usando elflujo de aire y el cabezal esttico en el punto nominal del ventilador.


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6 NOMENCLATURA

Enunidades

SI

Enunidadesinglesas

A

=

Area superficial total o rea de flujo

m2/m

pie2/pie

A1

=

Areas aguas arriba

m2

pie2

A2

=

Areas aguas abajo

m2

pie2

dc

=

Dimetro hidrulico equivalente(para un ducto circular con la mismaprdida de friccin)

m

pie

EA

=

Porcentaje exceso de aire

Fg

=

Combustible total requerido

kg/s

lb/h

Fi

=

Factores cuyo valor depende de lasunidades usadas

Fv

=

Flujo volumtrico de aire

dm3/s

pie3/min

Fvn

=

Flujo volumtrico de aire a carganormal

dm3/s

pie3/min

FG

=

masa de gas de combustin/unidadde masa de combustible

kg. gas decombustin/

kgcombustible

lb de gas decombustin/

lb decombustible

H

=

Cabezal esttico

kPa

pulg. deagua

Hn

=

Cabezal esttico a carga normal

kPa

pulg. deagua

K1

=

Coeficiente para la prdida decontraccin (Ver MDP versin 1986,Seccin 14)

M

=

Factor de carga del motor

adimensional

N

=

Eficiencia esttica del ventilador

adimensional

P

=

Potencia aproximadad del motor

kW

HP

Qf

=

Calor quemado (PCI)

MW

BTU/h

R

=

Resistencia del sistema=Hn/(Fvn)

kPa/(dm3/s)2

pulg de agua

pie3min

Sa

=

Gravedad especfica del aire a laaltitud en cuestin

Tg

=

Temperatura de los gases decombustin en el punto en cuestin

C

F

v

=

Volumen especfico

m3/kg aireseco

pie3/lb deaire seco


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V1

=

Velocidad de los gases de

combustin aguas arriba de laexpansin

m/s

pie/s

V2

=

Velocidad de los gases decombustin aguas abajo de laexpansin

m/s

pie/s

Wa

=

Flujo msico del aire

kg/s de aireseco

lb/h de aireseco

x

=

Profundidad del ducto

m

pie

y

=

Ancho del ducto

m

pie

Pc

=

Prdida de presin debido a unacontraccin repentina

kPa

pulg deagua

Pe

=

Prdida de presin debido a unaexpansin repentina

kPa

pulg deagua

FACTORES QUE DEPENDEN DE LAS UNIDADES USADAS

En unidadesSI

En unidadesinglesas

F18

=

Ec. (6)

273.15

459.6

F29

=

Ec. (6)

0.176

0.1186

F47

=

Ec. (2b)

0.344

0.0008

F48

=

Ec. (3)

103

60

F49

=

Ec. (8)

9.96x104

1.576x104

7 APENDICESTabla 1 Informacin para la especificacin de diseo del ventilador y el

ducto

Figura 1 Sistema de tiro forzado tpico

Figura 2 Curvas caractersticas tpicas para ventiladores de tiro forzadocon curva regraficada del sistema de resistencia

Figura 3.A Curvas psicromtricas (unidades SI)

Figura 3.B Curvas psicromtricas (unidades inglesas)Figura 4 Velocidad del aire contra cabezal dinmico

Figura 5 Cambio de la densidad del aire con la altitud

Figura 6 Prdidas de presin en codos


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VENTILADOR

Designacin: C_____________________

Flujo normal de aire: _________________ kg/s (lb/h) de aire seco (Flujo de aire a carga normaldel horno)

Presin del aire a la entrada del quemador a flujo normal de aire: ___________kPa (pulg de agua)

Condiciones ambientales para el diseo:

_______________m (pie) por encima del nivel del mar (para altitudes menores de 300 m (1000pie), utilice el nivel del mar)

Altitud:

Condiciones ambientales:(Use los valores presentados en las bases de diseo)Verano Invierno

Temperatura, C (F)_______________

Humedad relativa, %_______________

Control de flujo de aire:Paletas guas de entrada variable (Variable inlet guide vanes) (se debeespecificar el tipo de posicionador)

Tipo de Motor: Velocidad constante (motor elctrico o turbina de vapor)

Paletas: Curveadas hacia atrs, sin sobrecarga

Sellos del ventilador: Estndar del frabricante; las fugas deben tomarse en cuenta cuando sedimensiona el ventiladorPunto nominal del ventilador

El flujo de airedebe ser de 115% el flujo normal y accesible a travs del rango de las condicionesambientales a una altitud local. Se debe aadir la concesin de fugas del ventilador o del ducto.

El cabezal estticodebe ser 115% de la suma de (1) + (2), ms abajo:

(2)

(1) Presin de aire en la brida de entrada al quemador kPa (pulg de agua) (El valor que debe usarsees la presin del registro a carga mxima, consultar PDVSAMDP05F03)

Las prdidas de presin calculadas a la entrada y salida del ducto basadas en flujo de aire normaly en arreglo final del ducto.

Curvas de resistencia del sistema:Esta curva debe ser regraficada en base a las curvas caracter sticadel ventilador. La resistencia del sistema se debe calcular basada en flujo normal de aire ypresin de airla entrada del quemador y prdidas en el ducto a carga normal.

DUCTO DE AIREEl ducto, siempre que sea posible, debe ser subterraneo

La velocidad del aireen el ducto no debe exceder los 12 m/s (40 pie/s)

Los ductos subterrneos deben ser:

(2)

(1) Construidos de acero al carbn de por lo menos 5 mm (3/16 pulg) de espesorReforzado por rigidez.

(3) Revestido externamente con por lo menos 50 mm (2 pulg) de aislamiento de 1300 a 1600 kg/m3(8a 100 lb/pie3)

La entrada del ducto deben ser:

(2)

(1) Elevada a 4.6 m (15 pie) por encima de la primera plataforma del hornoProvista con un protector contra lluvia

En ductos de interconexinentre hornos se requieren reguladores de tiro con aislamiento. Los clculodel arreglo final del ducto y la cada de presin deben ser suministrados para laaprobacin del ingenieropropietario.

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TABLA 1. INFORMACION PARA LA ESPECIFICACION DE DISEO DEL VENTILADOR

Y EL DUCTO


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Fig 1. SISTEMA DE TIRO FORZADO TIPICO


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Fig 2. CURVAS CARACTERISTICAS TIPICAS PARA VENTILADORES DE TIRO

FORZADO CON CURVA RE

GRAFICADA DEL SISTEMA DE RESISTENCIA


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Fig 3.A. CURVAS PSICROMETRICA (UNIDADES SI)


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Fig 3.B. CURVAS PSICROMETRICA (UNIDADES INGLESAS)

Fig 3.


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Fig 4. VELOCIDAD DEL AIRE CONTRA CABEZAL DINAMICO


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Fig 5. CAMBIO DE LA DENSIDAD DEL AIRE CON LA ALTITUD*


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Fig 6. PERDIDAS DE PRESION EN CODOS

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