Realizado por:
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EUGENIO CHIVIGORRY, Edison Leonel
CLIMATIZACIÓN Y RIEGO POR NEBULIZACIÓN DE UN
INVERNADERO
Climatización: La
climatización consiste en crear unas condiciones de temperatura, humedad y
limpieza del aire adecuadas al producto en el cual sembrar en el invernadero, ya que cada especie
vegetal, en las diferentes etapas de su ciclo biológico necesita para su desarrollo normal un rango
de temperaturas óptimas.
Riego por nebulización: consiste en repartir por todo el local (invernadero), unos pulverizadores de agua que difunden gotas por todo el ambiente, formando niebla, estas gotas de agua se evaporan absorbiendo parte de la energía solar recibida, con lo que enfrían el ambiente
Procedimiento de diseño:
En este caso el producto con el cual se va a trabajar en el invernadero va a ser la lechuga, espinacas, guisantes, acelgas y demás productos cuya temperatura y humedad optima sean similares a los productos antes mencionados.
1. Condiciones ambientales
A T<6ºC y T>30 ºC, detiene su desarrollo. Las temperaturas óptimas varía entre 14-18 ºC. Humedad relativa= 60-80%
Trabajado a condiciones del nivel del mar
2. Dimensionamiento del invernadero
Capacidad (Vol.)= 1050m3 Área: 300m2
3. Determinación de la presión estática :
• Presión a T=9ºC; ρ=1.2425kg/m3 P=100.56kPa
Tomamos este valor
•
Presión a T=30ºC;ρ=1.127kg/m3
P=101.2395kPa• Las pérdidas debido al ducto:
Ρ=1.225kg/m3 a condiciones normales
Siendo K=0.9
V es aproximadamente 40m/s
CALCULO DEL VENTILADOR DATOS:
Q=4500 m3/h
P=1630 kPa
ρ=1.225kg/m3
N=1800 rpm PROCEDIMIENTO DE CÁLCULOCoeficiente de rapidez (Ny):
VENTILADOR RADIAL DE PRESION MEDIA Y BAJA CON ALABES DOBLADOS HACIA ADELANTE
Con el coeficiente de rapidez Ny, nos dirigimos a la tabla que se muestra a continuación y
seleccionamos el tipo de ventilador adecuado para cumplir con los datos de entrada.
CALCULO DEL VENTILADOR CENTRÍFUGO DE PRESIÓN MEDIACON ALABES DOBLADOS HACIA DELANTE
CALCULO EN EL ROTOR DEL VENTILADOR
Diámetro de entrada del ventilador (Do) y diámetro interior del rodete (D1)
Asumimos k=1.6
Diámetro exterior del rodete (D2)
El diámetro exterior del rodete lo determinamos según los resultados de pruebas de ventiladores con ancho constante de rodete constante (b1=b2) y con alabes doblados hacia delante (Ny=30–60), resultados de los
cuales se obtuvo la siguiente formula empírica:
Calculo del ancho del rodete (b1)
Para disminuir las pérdidas de energía en la entrada del rodete, se recomienda asegurar la igualdad de velocidades y por consiguiente de las áreas de la sección de entrada en el ventilador y la sección de entrada al rodete.
En dicha fórmula se coloco un factor de sobredimensionamiento (
k = 1,2 − 2,5)
; Nosotros asumimos k=1.2TIPO DE VENTILADOR Ny
1 Radial de alta presión 10 ‐30 2
Radial de presión media y baja 30 ‐ 80 a) Con alabes doblados hacia adelante 30 ‐ 60 b) Con alabes doblados hacia atrás 50 ‐ 80 3 Radiales con doble entrada 80 ‐ 120 4 Axial para elevadas presiones 120 ‐ 200 5 Axial con alabes torcidos 200 ‐ 400
Número de alabes de rotor (Z)
Se recomienda que el numero de alabes en un ventilador sea múltiplo de 4 para así realizar un mejor balance del rotor.
CALCULO DE LOS TRIÁNGULOS DE VELOCIDAD A LA ENTRADA Y SALIDA DEL ALABE CONSIDERANDO UN NÚMERO INFINITO DE ALABES
- Calculo del triangulo de velocidad a la entrada del alabe: Velocidad tangencial (U1)
Velocidad a la entrada del ventilador (Co)
Debido a la consideración hecha en un punto anterior de igualar las áreas de la sección de entrada del ventilador y la sección de entrada al rodete, entonces las velocidades Co = C1r.
Luego de la ecuación de continuidad:
Angulo de entrada (
β
1)
El ángulo de entrada
β
1 se debe encontrar en el siguiente rango para ventiladores con alabes doblados haciaadelante: Mediante experiencias de laboratorio se recomienda trabajar en el siguiente rango: Nosotros asumiremos
Velocidad relativa (W1)
Velocidad absoluta (C1)
Componente tangencial de la velocidad absoluta (C1u)
- Calculo del triangulo de velocidad a la salida del alabe
Velocidad tangencial (U2)
40.52 m/s
Angulo de salida (
β
2)
Los ventiladores modernos con alabes doblados hacia adelante tienen los ángulos de ajuste de los alabes del rodete en la salida β2 entre los siguientes valores: β2 = 140° - 160°.
Para nuestro caso asumiremos: β2 = 150°
Velocidad relativa (W2)
Suponiendo un acabado superficial muy bueno en los alabes del rodete, podemos asumir que:
Componente tangencial de la velocidad absoluta (C2u )
Velocidad absoluta (C2)
Calculo de α
CALCULO DE LOS TRIÁNGULOS DE VELOCIDAD A LA ENTRADA Y SALIDA DEL ALABE CONSIDERANDO UN NUMERO FINITO DE ALABES (Z =XX)
Nos fijamos que este valor esta fuera del rango recomendado para ángulos β2, pero puesto que está cercano al valor
más bajo lo conservamos. A continuación pasamos a recalcular todos los parámetros hallados haciendo uso del Angulo β2´:Para ventiladores con alabes doblados hacia adelante: K = 3
- Triangulo de velocidad a la entrada del alabe
- Triangulo de velocidad a la salida del alabe
Componente radial de la velocidad absoluta (C2r´)
Componente tangencial de la velocidad absoluta ( C2u´)
Velocidad absoluta (C2´)
Calculo de
Eficiencia hidráulica del rodete (ηh)
En donde para ventiladores centrífugos con alabe doblados hacia adelante se tiene:
ξ = 0,4
Presión teórica desarrollada por el rotor (Pt)
Presión real desarrollada por el rotor (Pr)
Puesto que la presión real generada por el rotor es mayor a la presión requerida se continúa con el cálculo sin problemas.
Perdidas de presión en el rotor (ΔPr)
CALCULO DE LA ENVOLTURA ESPIRAL DEL VENTILADOR Velocidad del aire a la salida del ventilador (Ca)
La velocidad optima del aire en la envoltura espiral del ventilador (a la salida de la voluta) es aproximadamente el 75% de la velocidad absoluta de salida del rodete C2’
Área de salida (F)
Amplitud de la envoltura (A)
El cuadrado del constructor
a=A/4=0.208/4=0.052m
Dimensiones del área de salida (B x A`)
Asumiendo B= 115 mm
Donde “e” es el espaciamiento lateral entre el rotor y la envoltura, asumiendo un espaciamiento e = 0.011 m; entonces la magnitud B.
Entonces la otra magnitud del área será la siguiente:
PERDIDAS EN LA ENVOLTURA ESPIRAL DEL VENTILADOR
Perdidas inevitables determinadas por la componente radial de la velocidad absoluta (ΔPc2r)
Perdidas por golpes durante el mezclado de flujo (ΔPMG)
Perdidas por fricción en la envoltura (ΔPf)
Donde “k” es un coeficiente que depende del material de la envoltura y de su acabado superficial. Tomaremos un k = 0.3
Presión real desarrollada por el ventilador (Pv)
La presión que generara este ventilador calculado es menor que la presión requerida, por lo que se hará un ajuste en D2=0.49m
El nuevo número de alabes de rotor (Z)
- Calculo del triangulo de velocidad a la salida del alabe
Velocidad tangencial (U2)
46.18 m/s
Angulo de salida (
β
2)
Los ventiladores modernos con alabes doblados hacia adelante tienen los ángulos de ajuste de los alabes del rodete en la salida β2 entre los siguientes valores: β2 = 140° - 160°.
Para nuestro caso asumiremos: β2 = 150°
Velocidad relativa (W2)
Suponiendo un acabado superficial muy bueno en los alabes del rodete, podemos asumir que:
Componente tangencial de la velocidad absoluta (C2u )
Componente radial de la velocidad absoluta (C2r)
Calculo de α
CALCULO DE LOS TRIÁNGULOS DE VELOCIDAD A LA ENTRADA Y SALIDA DEL ALABE CONSIDERANDO UN NUMERO FINITO DE ALABES (Z =XX)
Nos fijamos que este valor esta fuera del rango recomendado para ángulos β2, pero puesto que está cercano al valor
más bajo lo conservamos. A continuación pasamos a recalcular todos los parámetros hallados haciendo uso del Angulo β2´:Para ventiladores con alabes doblados hacia adelante: K = 3
- Triangulo de velocidad a la salida del alabe
Componente radial de la velocidad absoluta (C2r´)
Componente tangencial de la velocidad absoluta ( C2u´)
Calculo de
Debe encontrarse entre (8º - 20º)
Eficiencia hidráulica del rodete (ηh)
En donde para ventiladores centrífugos con alabe doblados hacia adelante se tiene:
ξ = 0,4
Presión teórica desarrollada por el rotor (Pt)
Presión real desarrollada por el rotor (Pr)
Puesto que la presión real generada por el rotor es mayor a la presión requerida se continúa con el cálculo sin problemas.
Perdidas de presión en el rotor (ΔPr)
Velocidad del aire a la salida del ventilador (Ca)
La velocidad optima del aire en la envoltura espiral del ventilador (a la salida de la voluta) es aproximadamente el 75% de la velocidad absoluta de salida del rodete C2’
Área de salida (F)
Amplitud de la envoltura (A)
La magnitud de la apertura de la envoltura de la envoltura espiral será:
Dimensiones del área de salida (B x A`)
Asumiendo B= 115 mm
Donde “e” es el espaciamiento lateral entre el rotor y la envoltura, asumiendo un espaciamiento e = 0.011 m; entonces la magnitud B.
Entonces la otra magnitud del área será la siguiente:
PERDIDAS EN LA ENVOLTURA ESPIRAL DEL VENTILADOR
Perdidas inevitables determinadas por la componente radial de la velocidad absoluta (ΔPc2r)
Perdidas por fricción en la envoltura (ΔPf)
Donde “k” es un coeficiente que depende del material de la envoltura y de su acabado superficial. Tomaremos un k = 0.3
Pérdidas totales en el ventilador (ΣΔPt)
Presión real desarrollada por el ventilador (Pv)
La presión que generara este ventilador calculado es mayor que la presión requerida, en un 18%
Eficiencia hidráulica del ventilador (ηhv)
Potencia útil gastada para el incremento de energía de flujo en el ventilador (NG)
Donde:
k = (10 – 20) x ; para discos planos Asumimos K = 10 x
Potencia gastada por la recirculación del aire en la holgura entre el rotor y la tabuladura de entrada (NH)
Con el fin de hallar esta potencia gastada por recirculación del aire, hallamos el incremento de la presión estática en el ventilador:
El caudal de aire en la holgura se determina por el producto de la velocidad del aire en la holgura y su área efectiva:
Donde:
: Coeficiente de caudal
: Diferencia de presiones por ambos lados de la holgura : Ancho de la holgura
Donde:
U3 = U1; Co = C1r
Asumiendo el coeficiente de caudal en la holgura (tipo de lemniscata)
μ
= 0.8 y el ancho de la holgura igual a 0.38% del diámetro exterior del rodete D2, es decirδ
3= 0.1862 m; tenemos:Entonces la potencia gastada por recirculación será:
Potencia perdida en rodamientos (ΔNfr)
Factor de servicio o reserva de 1.2 para 5 horas diarias
Potencia del motor eléctrico (Nmotor)
; con RPM =1800 rpm
PARA EL CÁLCULO DEL VENTILADOR DEL SISTEMA DE RIEGO
TOMAMOS EN CONSIDERACIÓN POR RECOMENDACIONES DE
DOCUMENTOS:
Entonces primero para el tramo 1 (L=3m)
Entonces
eligiendo un diámetro de tubería de
Asumiendo una temperatura de operación de 18 ⁰C
De tablas de Termodinámica
El tramo 2 (L=58m)
Entonces
Teniendo un
Entonces
Tomando accesorios del circuito en los cuales la velocidad que recorre los
accesorios es de 10 m/s:
4 codos: según tablas (Casals)
Ahora como:
Entonces:
Ahora agregamos la presión necesaria para ocupar el volumen del
invernadero que se calculo anteriormente:
CALCULO DEL VENTILADOR
DATOS:
Q=
P=3017.72
ρ=1.225kg/m3
N=3600 rpm
PROCEDIMIENTO DE CÁLCULO
Coeficiente de rapidez (Ny):
=
=33.7
VENTILADOR RADIAL DE PRESION MEDIA Y BAJA CON ALABES DOBLADOS
HACIA ADELANTE
Con el coeficiente de rapidez Ny, nos dirigimos a la tabla que se muestra a
continuación y seleccionamos el tipo de ventilador adecuado para cumplir con los datos de
entrada.
TIPO
DE
VENTILADOR
N
y
1 Radial de alta presión
10 ‐30
2
Radial de presión media y
baja
30 ‐ 80
a) Con alabes doblados hacia 30 ‐ 60
b) Con alabes doblados hacia
atrás
50 ‐ 80
3 Radiales con doble entrada
80 ‐ 120
4 Axial para elevadas presiones 120
‐
200
5 Axial con alabes torcidos
200
‐
CALCULO DEL VENTILADOR CENTRÍFUGO DE
PRESIÓN
MEDIA
CON ALABES DOBLADOS HACIA DELANTE
CALCULO EN EL ROTOR DEL VENTILADOR
Diámetro de entrada del ventilador (Do) y diámetro interior del rodete (D1)
Asumimos k=1.6
Diámetro exterior del rodete (D2)
El diámetro exterior del rodete lo determinamos según los resultados de pruebas de
ventiladores con ancho constante de rodete constante (b1=b2) y con alabes doblados hacia
delante (Ny=30–60), resultados de los cuales se obtuvo la siguiente formula empírica:
Calculo del ancho del rodete (b1)
Para disminuir las pérdidas de energía en la entrada del rodete, se recomienda asegurar la
igualdad de velocidades y por consiguiente de las áreas de la sección de entrada en el ventilador
y la sección de entrada al rodete.
En dicha fórmula se coloco un factor de sobredimensionamiento (k = 1,2 − 2,5); Nosotros
asumimos k=1.2
Se recomienda que el numero de alabes en un ventilador sea múltiplo de 4 para así realizar un
mejor balance del rotor.
CALCULO DE LOS TRIÁNGULOS DE VELOCIDAD A LA ENTRADA Y SALIDA DEL
ALABE CONSIDERANDO UN NÚMERO INFINITO DE ALABES
- Calculo del triangulo de velocidad a la entrada del alabe:
Velocidad tangencial (U1)
Velocidad a la entrada del ventilador (Co)
Debido a la consideración hecha en un punto anterior de igualar las áreas de la sección de
entrada del ventilador y la sección de entrada al rodete, entonces las velocidades Co = C1r.
Luego de la ecuación de continuidad:
Angulo de entrada (β1)
El ángulo de entrada β1 se debe encontrar en el siguiente rango para ventiladores con alabes
doblados hacia adelante:
Mediante experiencias de laboratorio se recomienda
trabajar en el siguiente rango:
Nosotros asumiremos
Velocidad relativa (W1)
Calculo de α
Componente tangencial de la velocidad absoluta (C1u)
- Calculo del triangulo de velocidad a la salida del alabe
Velocidad tangencial (U2)
56.5 m/s
Angulo de salida (β2)
Los ventiladores modernos con alabes doblados hacia adelante tienen los ángulos de ajuste de
los alabes del rodete en la salida β2 entre los siguientes valores: β2 = 140° - 160°.
Para nuestro caso asumiremos: β2 = 150°
Velocidad relativa (W2)
Suponiendo un acabado superficial muy bueno en los alabes del rodete, podemos asumir que:
Componente radial de la velocidad absoluta (C2r)
Velocidad absoluta (C2)
Calculo de α
CALCULO DE LOS TRIÁNGULOS DE VELOCIDAD A LA ENTRADA Y SALIDA DEL ALABE
CONSIDERANDO UN NUMERO FINITO DE ALABES (Z =XX)
Nos fijamos que este valor esta fuera del rango recomendado para ángulos β2, pero puesto que
está cercano al valor más bajo lo conservamos. A continuación pasamos a recalcular todos los
parámetros hallados haciendo uso del Angulo β2´:Para ventiladores con alabes doblados hacia
adelante: K = 3
- Triangulo de velocidad a la entrada del alabe
El triangulo de velocidad a la entrada del alabe queda invariable puesto que no depende del
ángulo β2.
- Triangulo de velocidad a la salida del alabe
Componente radial de la velocidad absoluta (C2r´)
Componente tangencial de la velocidad absoluta ( C2u´)
Velocidad absoluta (C2´)
Debe encontrarse entre (8º - 20º)
Eficiencia hidráulica del rodete (ηh)
En donde para ventiladores centrífugos con alabe doblados hacia adelante se tiene: ξ = 0,4
Presión teórica desarrollada por el rotor (Pt)
Presión real desarrollada por el rotor (Pr)
Puesto que la presión real generada por el rotor es mayor a la presión requerida se continúa con
el cálculo sin problemas.
CALCULO DE LA ENVOLTURA ESPIRAL DEL VENTILADOR
Velocidad del aire a la salida del ventilador (Ca)
La velocidad optima del aire en la envoltura espiral del ventilador (a la salida de la voluta) es
aproximadamente el 75% de la velocidad absoluta de salida del rodete C2’
Área de salida (F)
Amplitud de la envoltura (A)
La magnitud de la apertura de la envoltura de la envoltura espiral será:
El cuadrado del constructor
a=A/4=0.11/4=0.0275m
Dimensiones del área de salida (B x A`)
Asumiendo B= 75 mm
Donde “e” es el espaciamiento lateral entre el rotor y la envoltura, asumiendo un espaciamiento
e = 0.011 m; entonces la magnitud B.
PERDIDAS EN LA ENVOLTURA ESPIRAL DEL VENTILADOR
Perdidas inevitables determinadas por la componente radial de la velocidad absoluta (ΔPc2r)
Perdidas por golpes durante el mezclado de flujo (ΔPMG)
Perdidas por fricción en la envoltura (ΔPf)
Donde “k” es un coeficiente que depende del material de la envoltura y de su acabado
superficial.
Tomaremos un k = 0.3
Pérdidas totales en el ventilador (ΣΔPt)
Presión real desarrollada por el ventilador (Pv)
Ok!
Potencia útil gastada para el incremento de energía de flujo en el ventilador (NG)
Potencia gastada por fricción en los discos del ventilador (Nf )
Donde:
k = (10 – 20) x
; para discos planos Asumimos K = 10 x
Potencia gastada por la recirculación del aire en la holgura entre el rotor y la tabuladura de
entrada (NH)
Con el fin de hallar esta potencia gastada por recirculación del aire, hallamos el incremento de la
presión estática en el ventilador:
El caudal de aire en la holgura se determina por el producto de la velocidad del aire en la holgura
y su área efectiva:
Donde:
: Coeficiente de caudal
: Ancho de la holgura = 0.01x0.3 = 0.003 m
Donde:
U3 = U1; Co = C1r
Asumiendo el coeficiente de caudal en la holgura (tipo de lemniscata) μ = 0.8 y el ancho de la
holgura igual a 0.38% del diámetro exterior del rodete D2, es decir δ3 = 0.1862 m; tenemos:
Entonces la potencia gastada por recirculación será:
Potencia total de accionamiento del ventilador (NT)
Potencia perdida en rodamientos (ΔNfr)
Factor de servicio o reserva de 1.2 para 4 horas diarias
Potencia del motor eléctrico (Nmotor)
1. Selección de un motor eléctrico Para selección de un motor se parte de:
MATERIALES:
• Las carcasas estarán construidas en chapa de acero laminado, carcasa totalmente soldada y engatillada.
• Turbina multipala de alabes curvados hacia delante de simple aspiración en chapa galvanizada, protegidos contra la corrosión mediante recubrimiento den polvo de resina epoxy.
ANEXO
REFERENCIAS BIBLIOGRÁFICAS Invernadero
1.- Manual Práctico de ventilación Salvador Escoda S.A. (Catalogo Técnico) 2.-Robert L. Mott Mecanica de Fluidos
3.- Introduccion a la mecánica de Fluidos. Fox 4.- Manual de Ventilación Casals
Diseño de ventilador
7.Separata del Curso Internacional de Post- Grado “Ventiladores Problemas de Teoria, Diseño, Seleccion y Operacion” Maestria en Turbomaquinas-EPIMEC UNSA. Dr. Igor Evteev.
