5/19/2018 Proyecto Fin de Carrera_Diseo y Fabricacin de Ventilador I
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Proyecto Fin de Carrera
Departamento de Ingeniera Energtica
Escuela Superior de Ingenieros
Universidad de Sevilla
D ise o y fab ric ac i n d e
ven tilad o r in d ustrial T E X
Autor: Alberto Romero Lpez
Tutor: Amalia Santana Hidalgo
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Contenido
1 INTRODUCCIN..................................................................... ................................................................ ......... 5
1.1 ANTECEDENTES......................................................... ............................................................... .................... 5
2 AEIB VENTILATEURS................................................................................................... ................................. 6
2.1 HISTORIA........................................................ ................................................................ .............................. 6
2.2 ESTRUCTURA DE LA EMPRESA ........................................................ .............................................................. 7
2.3 INSTALACIONES......................................................... ............................................................... .................... 8
2.4 TAREAS DEL DEPARTAMENTO TCNICO ............................................................... ....................................... 11
3 VENTILADORES CENTRFUGOS. SEMEJANZA ............................................................. ...................... 133.1 CURVA DE FUNCIONAMIENTO DE UN VENTILADOR......................................................... ............................ 14
3.2 PARMETROS MS IMPORTANTES............................................................. ................................................. 14
3.3 SEMEJANZA ............................................................... ............................................................... .................. 15
4 VENTILADOR HPB ATEX 850........................................... ................................................................... ....... 17
4.1 CARACTERSTICAS EXIGIDAS POR EL CLIENTE ................................................................ ............................ 18
5 NORMATIVA TENIDA EN CUENTA EN EL DISEO........................................ ..................................... 21
5.1 DIRECTIVA 98/37/CESOBRE SEGURIDAD EN MQUINAS ...........................................................................21 5.2 DIRECTIVA 97/23/CESOBRE EQUIPOS A PRESIN .......................................................... ............................ 22
5.3 DIRECTIVA 94/9/CEATEX................. ................................................................ ....................................... 23
5.3.1 Anlisis de riesgo........................................................ ................................................................... ....... 24
5.3.2 Limitacin de temperatura........................................................... ......................................................... 25
5.3.3 Comportamiento ante choques................... ............................................................................ ............... 26
5.3.4 Estanqueidad de la voluta .......................................................... ........................................................... 26
5.3.5 Resistencia mecnica del rodete ................................................................... ........................................ 26
5.3.6 Asociacin de materiales ................................................................... ................................................... 26
5.3.7 Vibracin.............................................. ................................................................ ................................. 27
5.3.8 Depsitos en el interior de la voluta ............................................................................ ......................... 27
5.3.9 Juego entre elementos mviles y fijos ................................................................................................... 28
5.3.10 Fijacin rodete-eje.................................................... ................................................................ ........ 28
5.3.11 Corrosin............ ..................................................................... ......................................................... 28
5.3.12 Resistencia al fuego ............................................................ .............................................................. 28
5.3.13 Proteccin contra partculas exteriores ............................................................ ............................... 29
5.3.14 Material elctrico ..................................................................................................................... ........ 29
5.3.15 Cargas electrostticas ................................................................ ...................................................... 295.3.16 Placa identificativa............................................................... ............................................................ 29
5.3.17 Documentacin para el usuario.......................................................................................... .............. 30
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6 DISEO HIDRULICO DEL VENTILADOR................................................................ ............................ 31
6.1 DESCRIPCIN DE LOS PROCEDIMIENTOS Y PROGRAMAS DE CLCULO.........................................................31
6.1.1 Ventajas e inconvenientes del mtodo de diseo.................................... ............................................... 32
6.2 OBTENCIN DE LAS DIMENSIONES CARACTERSTICAS ............................................................... ................. 33
7
DISEO DE DETALLE DEL VENTILADOR................. ............................................................................ 40
7.1 MATERIAL...................................................... ................................................................ ............................ 41
7.2 GEOMETRA DEL RODETE ............................................................... ............................................................ 42
7.3 GEOMETRA DE LA VOLUTA ............................................................ ............................................................ 44
7.4 REFUERZO TUBO DE ASPIRACIN............................................................... ................................................. 45
7.5 MOTOR........................................................... ................................................................ ............................ 46
7.6 ESTANQUEIDAD DE LA VOLUTA ...................................................... ............................................................ 47
7.7 ESTRUCTURA SOPORTE........................................................ ................................................................ ....... 49
7.8 SUSPENSIN .............................................................. ............................................................... .................. 51
8 PROCESOS DE FABRICACIN ............................................................... ................................................... 53
8.1 CORTE DE PIEZAS EN CHAPA ........................................................... ............................................................ 53
8.2 PLEGADO DE PIEZAS EN CHAPA....................................................... ............................................................ 55
8.3 MECANIZADO DE PIEZAS ..................................................... ................................................................ ....... 56
8.4 SOLDADURA .............................................................. ............................................................... .................. 57
8.5 DECAPADO DE PIEZAS......................................................... ................................................................ ....... 59
8.6 EQUILIBRADO DEL RODETE............................................................ ............................................................ 60
8.7 MONTAJE FINAL ........................................................ ............................................................... .................. 60
9 ENSAYOS................. ................................................................ ................................................................. ....... 62
9.1 NORMA AFNORNFX10-200................................. ............................................................... ................... 62
9.1.1 mbito de aplicacin......................................................................... .................................................... 62
9.1.2 Principios del mtodo de ensayo.......................... .......................................................................... ....... 63
9.1.3 Descripcin de la instalacin........................................................................ ........................................ 63
9.2 OBTENCIN DE LOS PUNTOS DE FUNCIONAMIENTO........................................................ ............................ 67
9.2.1 Magnitudes a medir................................................................................... ............................................ 67
9.2.2 Parmetros necesarios...................... ..................................................................... ............................... 689.2.3 Clculo del caudal msico ................................................................. .................................................. 68
9.2.4 Clculo del caudal volumtrico ............................................................................ ................................ 69
9.2.5 Clculo del incremento de presin del ventilador................................................................................. 69
9.2.6 Clculo del rendimiento............................................................. ........................................................... 71
9.3 COMENTARIOS ACERCA DEL ENSAYO ........................................................ ................................................. 73
9.4 DESCRIPCIN DE LA INSTRUMENTACIN ............................................................. ....................................... 73
9.4.1 Conducto de ensayos................... ..................................................................... ..................................... 74
9.4.2 Variador de frecuencia................................................................................................ .......................... 74
9.4.3 Manmetro.............................................................. ...................................................................... ........ 759.4.4 Analizador de energa elctrica............................................................................ ................................ 76
9.4.5 Pinza amperimtrica ............................................................. ................................................................ 77
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9.4.6 Tacmetro ............................................................. .............................................................. .................. 77
9.4.7 Termmetro.................................................................... ............................................................... ........ 78
9.5 PROTOCOLO DE REALIZACIN DE ENSAYOS ......................................................... ....................................... 78
9.6 REALIZACIN DEL ENSAYO............................................................ ............................................................ 80
9.7 RESULTADOS OBTENIDOS ............................................................... ............................................................ 80
10 OTROS ENSAYOS.......................................................................... ............................................................ 83
10.1 TEMPERATURA MXIMA DE SUPERFICIE .............................................................. ....................................... 83
10.2 IMPACTO........................................................ ................................................................ ............................ 83
10.3 ESTANQUEIDAD......................................................... ............................................................... .................. 84
10.4 RESISTENCIA DEL RODETE.............................................................. ............................................................ 85
10.5 VIBRACIN................................................................ ................................................................ ................. 85
11 PRESUPUESTO ........................................................... ............................................................. .................. 86
12 CONCLUSIONES............................................................................................................ ............................ 87
13 BIBLIOGRAFIA............................................................................................................. ............................. 88
ANEXOS..................... ................................................................ .............................................................. ................. 90
A. PLANOS DE FABRICACIN............................................................................................ ............................ 91
B. DIMENSIONES DEL TNEL DE ENSAYOS ................................................................. ............................ 93
C. FICHA DE RESULTADO DE ENSAYOS ......................................................................... ........................... 94
D. INSTRUCCIONES DE INSTALACIN Y MANTENIMIENTO............................................................... 95
E. OTRAS APLICACIONES DEL PROCESO DE DISEO Y FABRICACIN ......................................... 96
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1 Introduccin
1.1 Antecedentes
El presente proyecto fin de carrera surge a partir de las prcticas realizadas por el
autor en la empresa AEIB Ventilateurs, con sede en Burdeos (Francia), en el marco del
programa europeo Cronos-Leonardo da Vinci entre septiembre y diciembre de 2005.
AEIB Ventilateurs es una sociedad dedicada a la fabricacin y comercializacin deventiladores industriales de distintos tipos, entre ellos mquinas a medida de
fabricacin especial. Para el estudio y elaboracin de los proyectos de dichas
mquinas, la empresa dispone de un departamento tcnico especfico. Es en este
departamento en el que el autor desarroll su trabajo.
En este documento se pretende describir el proceso de diseo y fabricacin de
ventiladores utilizado en una pequea sociedad industrial como AEIB, aplicado a unode los proyectos llevados a cabo por el autor. Igualmente se trata de justificar cada
una de las decisiones tcnicas tomadas, para lo que se expondrn los medios
disponibles y las limitaciones de una empresa de este tipo, las exigencias de la
normativa vigente en Francia y del cliente, as como las distintas consideraciones
tericas tenidas en cuenta.
En primer lugar se har una breve presentacin de AEIB y de sus instalaciones. Acontinuacin se realizar una descripcin de los ventiladores centrfugos y de su
funcionamiento, as como de alguna nocin terica. Los siguientes captulos estn
dedicados al ventilador HPB ATEX 850: exigencias del cliente, normativa, diseo,
fabricacin y ensayos. Por ltimo se enumerarn otros proyectos en los que ha
participado el autor de este documento con el objetivo de ofrecer una idea de la clase
de proyecto en que trabaja habitualmente el departamento tcnico de AEIB y la forma
general de proceder ante ellos.
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2 AEIB Ventilateurs
AEIB (Appareillages Electro-Industriels Bordelais) Ventilateurs es una sociedaddedicada a la fabricacin y comercializacin de ventiladores industriales, en general en
pequeas partidas. Con ms de 25 aos de experiencia, la empresa se ha centrado en
la atencin a clientes con necesidades especiales. En su amplio catlogo se puede
encontrar una gran variedad de mquinas aptas para casi cualquier aplicacin
industrial, de distintas potencias, materiales y configuraciones, as como sus
accesorios. Adems, su departamento tcnico disea mquinas a medida con el
objetivo de adaptarse a las caractersticas de los proyectos ms exigentes. AEIB ofrece
igualmente asesoramiento tcnico en proyectos relacionados con ventilacin o
impulsin de gases.
2.1 Historia
La sociedad AEIB Ventilateurs fue creada en la ciudad francesa de Burdeos en 1969
por el seor y la seora Morin como sociedad comercial dedicada a la venta de
ventiladores helicoidales, hlices y motores. Tras la compra de los almacenes LAMEL
(empresa relacionada tambin con el sector de los ventiladores) en 1971, la sociedad
aumenta su oferta con accesorios antideflagrantes, entre otros productos.
Cinco aos ms tarde, la sociedad decide cambiar de instalaciones, aadiendo a las
nuevas un pequeo taller de fabricacin y montaje que le permitir acrecentar su
gama de productos y satisfacer mejor las necesidades de sus clientes.
En 1982 se abre una agencia comercial en Marsella para facilitar el acceso al mercado
de aquella zona del pas.
En 1984 la sociedad vuelve a necesitar mayores instalaciones y cambia su sede a los
locales que ocupa actualmente, con una superficie de 9500 m2, de los que 5000 m2
estn destinado a fabricacin y almacenaje.
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En el ao 2000 se abre una nueva agencia comercial, esta vez en Lyon.
En 2003 AEIB es auditada y obtiene la certificacin ISO 9001 y la notificacin ATEX
(atmsferas explosivas).
A lo largo de todos estos aos, la sociedad fue aumentando la gama de productos
ofertados, incluyendo ventiladores centrfugos. Actualmente AEIB comercializa
ventiladores industriales dentro de un gran rango de puntos de funcionamiento,
adaptados a todo tipo de atmsfera (explosivas, corrosivas...) y de condiciones (alta
temperatura, presin...), en distintos materiales (acero, acero inoxidable, aluminio,materiales compuestos...), as como sus accesorios. Adems de las gamas estndares,
AEIB tambin disea y fabrica mquinas especiales por encargo. El volumen de
negocio de AEIB es de unos 3 millones de euros, de los que el 5 % procede de la
exportacin.
2.2 Estructura de la empresa
Actualmente trabajan en AEIB 22 personas, organizadas de la siguiente forma:
Direccin: Sra Beauquin, actual propietaria de la empresa
Departamento tcnico:
o Responsable del departamento: Sr Saldou
o Equipo: 1 ingeniero y 1 tcnico
Servicio comercial: 4 tcnicos en Burdeos, 1 en Marsella y 1 en Lyon
Departamento de compras: 1 tcnico
Administracin: 2 empleados
Expedicin / recepcin / almacn: 1 empleado
Produccin:
o 1 responsable de produccin
o 2 soldadores
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o 4 caldereros
o 1 mecnico-electricista
2.3 Instalaciones
La sede social y centro de produccin de AEIB se encuentra en la zona industrial de la
Bastide, en el 131 rue des Vivants de Burdeos (Francia). Sus instalaciones constan de
una nave principal de fabricacin y almacenaje de 5000 m2y varios edificios anexos en
los que sitan las oficinas, los vestuarios, el comedor y pequeos almacenes de
material diverso. En la nave principal se encuentra tambin la sala de ensayos.
Fig. 2.3a) y b) Instalaciones de AEIB: Taller, almacn y oficinas
En el taller de fabricacin se realizan operaciones de corte y plegado de chapa,
mecanizado, soldadura, decapado, pintura, equilibrado y montaje. Para ello se dispone
de:
- 1 mquina de corte por plasma de control numrico
- 1 puesto de corte por plasma manual
- 1 cizalladora de control numrico
- 1 punzonadora
- 1 sierra circular
- 2 fresadoras
- 1 torno
- 1 mortajadora
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- 1 plegadora de control numrico
- 1 plegadora manual
- 1 equipo de rodillos para enrollar chapa
- 8 puestos de soldadura MIG
- 1 puesto de soldadura TIG
- 2 mquinas de equilibrado dinmico
- 1 cabina de pintura
- 1 cuba de cido para decapado
- 1 puente gra de 3,5 toneladas
Fig. 2.3c) Mquina de corte por plasma
Fig. 2.3d) Plegadora
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Para la realizacin de ensayos, adems de los instrumentos de medida, variadores de
frecuencia... AEIB cuenta con un cajn de ensayos AMCA y 3 tubos de diferentes
dimetros para ensayos de cajn reducido.
Fig. 2.3e) Cajn de ensayos AMCA
Fig. 2.3f) Tubo para ensayos con el mtodo del cajn reducido
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2.4 Tareas del departamento tcnico
El procedimiento utilizado en AEIB para afrontar un proyecto de ejecucin de una
mquina es esencialmente siempre el mismo:
1. Recepcin del dossier del proyecto del departamento comercial.
2. Estudio de las caractersticas exigidas a la mquina y de las particularidades del
proyecto (temperatura, presin en la aspiracin, fluido a impulsar, restriccin
de dimensiones, normativa a respetar...) y prediseo bsico (dimensiones
bsicas, potencia requerida, sistema de estanqueidad, materiales, procesos de
fabricacin...).
3. Presentacin del proyecto al responsable del departamento, discusin de las
soluciones adoptadas y elaboracin de un presupuesto inicial.
4. Entrega al departamento comercial de la oferta a realizar al cliente.
5. En caso de aceptacin de la oferta, diseo hidrulico de la mquina utilizando el
programa de clculo de que dispone AEIB.
6. Eleccin de un motor teniendo en cuenta la potencia en eje necesaria y lascaractersticas especiales del proyecto.
7. Diseo del ventilador. Para ello se realiza un modelo en 3D de cada pieza
respetando en lo posible las dimensiones obtenidas en el programa de clculo,
pero realizando las modificaciones que se consideren oportunas para adaptarse
a las caractersticas del proyecto y para simplificar la fabricacin. A continuacin
se realiza el montaje de las piezas y se comprueba que las dimensiones son
correctas. El programa utilizado ha sido Pro Desktop.8. Eleccin de elementos especiales (piezas de conexin, vlvulas de seguridad,
sensores, compensadores de dilatacin, elementos de estanqueidad...) e
inclusin en el modelo 3D.
9. Diseo de la estructura soporte, cajones insonorizados... segn el proyecto.
10.Comprobacin de resistencia mecnica de las piezas y rediseo en los casos en
que sea necesario.
11.Elaboracin de los planos de las piezas que no puedan ser cortadas en AEIB
para consulta de precios. Contacto con proveedores de motores y otras piezas.
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12.Elaboracin de planos y envo al cliente para aprobacin.
13.Realizacin de las modificaciones exigidas y elaboracin de planos de
fabricacin.
14.Entrega al departamento de compras de la solicitud de compra de piezas y
materiales y envo a taller del dossier de fabricacin.
15.Seguimiento de la fabricacin.
16.Realizacin de ensayos.
17.Redaccin de documentos a entregar al cliente.
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3 Ventiladores Centrfugos. Semejanza
Un ventilador es, como se sabe, una mquina destinada a impulsar gases, a poner unamasa de gas en movimiento generando una corriente. Las caractersticas que definen
el funcionamiento de un ventilador son el caudal de gas que es capaz de impulsar y el
salto de presin que vence dicho caudal gracias a la accin de la mquina. Los
ventiladores se diferencian de los compresores en que estos ltimos estn diseados
para diferencias de presin entre entrada y salida grandes, siendo su objetivo principal
comprimir el gas, mientras que los ventiladores tienen por misin ms importante
generar una corriente de gas, siendo la diferencia de presin a salvar pequea.
Existen distintos tipos de ventilador: centrfugos, helicoidales, mixtos Los ventiladores
centrfugos estn compuestos por un recipiente o voluta con un conducto de entrada y
otro de salida en cuyo interior gira un rodete. Este rodete aspira el gas por su abertura
central (que coincide con el conducto de aspiracin de la voluta, siendo la entrada
bsicamente axial) y lo impulsa radialmente gracias a la fuerza centrfuga. El gas
acumulado en la periferia de la voluta se ve forzado a salir por el conducto de salida de
la voluta, establecindose la corriente deseada.
Fig. 3a) y b) Ventilador centrfugo con la voluta montada y sin ella
Los ventiladores desarrollados por encargo por el departamento de diseo de AEIB sonprcticamente todos centrfugos.
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3.1 Curva de funcionamiento de un ventilador
Como se ha comentado previamente, un ventilador centrfugo consta de una voluta yun rodete que gira en su interior. Dado un ventilador con una geometra determinada y
girando a una velocidad dada, para cada diferencia de presin a salvar entre entrada y
salida (por ejemplo las prdidas de carga del circuito en que est instalada la mquina)
el caudal vendr tambin dado. Las distintas combinaciones caudal-presin que se
pueden conseguir con un ventilador girando a una velocidad de giro concreta forman
su curva de funcionamiento. A continuacin se presenta una curva de
funcionamiento tpica de un ventilador centrfugo. Como se observa hay una relacin
inversa entre diferencia de presin a salvar y caudal impulsado.
Caudal
Incrementodepresin
Fig. 3.1a) Curva caracterstica de un ventilador centrfugo
3.2 Parmetros ms importantes
Hay una gran cantidad de parmetros que influyen en el funcionamiento de un
ventilador centrfugo, pero se pueden resumir en tres: la geometra del ventilador, su
velocidad de giro y las propiedades y estado del gas impulsado. Se puede demostrar
aplicando las leyes de la dinmica de fluidos que el caudal desplazado por un
ventilador centrfugo y la diferencia de presin salvada son:
vbDQ 222=
hDp 22
2=
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donde
D2: dimetro exterior del rodete
b2: anchura del rodete en la circunferencia exterior
: velocidad de giro del rodete
: densidad del gas
v: rendimiento volumtrico
h: rendimiento hidrulico
Es decir, el caudal que da un ventilador centrfugo aumenta al aumentar el dimetro
exterior, la distancia entre discos o la velocidad de giro del rodete. La diferencia depresin vencida aumenta con el cuadrado del dimetro exterior y con el cuadrado de la
velocidad de giro. Los rendimientos volumtrico e hidrulico vendrn dado por las
condiciones de funcionamiento as como por como el resto de dimensiones del
ventilador, las caractersticas del fluido...
3.3 Semejanza
El movimiento de los fluidos en el interior de las mquinas es muy complejo, por lo que
se recurre muchas veces en el diseo de mquinas hidrulicas a las leyes de
semejanza, con las que se puede obtener la curva de funcionamiento de una mquina
a partir de otra geomtricamente semejante. Esto permite el diseo por medio de
prototipos. Dos mquinas son semejantes geomtricamente cuando los ngulos
semejantes son iguales en ambas mquinas y la relacin entre dimensiones
semejantes es constante, es decir cuando son exactamente iguales en sus
proporciones pero tienen distinto tamao. Compararemos ahora los caudales y lasdiferencias de presin de dos ventiladores geomtricamente semejantes:
vbbbb
vaaaa
b
a
bD
bD
Q
Q
222
222=
hbbbb
haaaa
b
a
D
D
p
p
22
2
222=
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La semejanza geomtrica implica que:
b
a
b
a
b
b
D
D
2
2
2
2 =
Adems podemos considerar que los rendimientos volumtrico e hidrulico son iguales,
ya que los puntos de funcionamiento dos mquinas dinmica y geomtricamente
semejantes son homlogos. De esta forma nos queda que:
bbb
aa
a QD
D
Q
32
32
=
b
bbb
aaaa p
D
Dp =
222
222
Gracias a estos resultados podemos obtener a partir de la curva de funcionamiento de
un ventilador centrfugo las curvas de funcionamiento de toda la familia de
ventiladores semejantes a l, para cualquier velocidad de giro y densidad del gas aimpulsar. Hay que tener en cuenta sin embargo que, cuando las dimensiones de la
mquina son suficientemente pequeas como para que el efecto de la rugosidad del
material tenga sensibilidad, las relaciones de partida (las mostradas en el apartado
anterior) se ven afectadas por el efecto de la viscosidad, lo que invalida las relaciones
de semejanza. Teniendo en cuenta que la potencia transmitida al fluido es proporcional
al producto de caudal y salto de presin tenemos tambin la relacin de semejanza de
potencia:
b
bbb
aaaa W
D
DW
352
352
=
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4 Ventilador HPB ATEX 850
La mquina que se va a utilizar como ejemplo para presentar el proceso de diseo yfabricacin empleado en AEIB es el ventilador HPB ATEX 850. Se trata de un ventilador
centrfugo realizado en acero inoxidable por construccin mecnico-soldada, impulsado
por un motor elctrico de 30 kW.
El ventilador HPB ATEX 850 fue encargado por la ingeniera SOGEQUIP para formar
parte de una instalacin de tratamiento de gases en el centro de Val de Reuil
propiedad de la sociedad farmacutica PFIZER. Se trata de un proyecto de carcterconfidencial, por lo que slo se describir la instalacin de forma esquemtica. Los
gases a tratar se generan en algunos de los procesos que tienen lugar en la planta, y
consisten fundamentalmente en nitrgeno con un pequeo porcentaje de oxgeno y
una concentracin importante de COV (compuestos orgnicos voltiles). Estos COV son
hidrocarburos suspendidos y son contaminantes, por lo que no deben ser vertidos a la
atmsfera. El objetivo de la instalacin es el de limpiar los gases procedentes de los
reactores antes de su evacuacin.
La instalacin consta de dos grupos de impulsin de gases (ventiladores HPB ATEX 545
y ventilador HPB ATEX 850), una unidad criognica de condensacin de disolventes y
una unidad de adsorcin sobre lecho de carbono activo. Los gases son extrados del
reactor por los ventiladores HPB ATEX 545 e impulsados en la unidad de enfriamiento.
El ventilador HPB ATEX 850 se encarga de establecer la corriente que hace que los
gases ya fros atraviesen la unidad de adsorcin en que se quedan retenidos los COV,
consiguindose de esta forma limpiar el gas. Por estar fuera del objetivo de este
documento no se describir con ms detalle la instalacin, que es en realidad algo ms
compleja, con algunos elementos que no se han mencionado, sistemas de recirculacin
y bypass, sistema de control en continuo
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HPB ATEX 545
HPB ATEX 545
REACTORUNIDAD
CRIOGNICA HPB ATEX 850UNIDAD DE
ADSORCIN
Salidade gasestratados
Fig. 4a) Esquema de la instalacin de tratamiento de gases
El diseo de la instalacin corresponde completamente a SOGEQUIP, que defini las
caractersticas de funcionamiento de cada equipo, siendo la labor de AEIB nicamente
el diseo y construccin de los ventiladores conforme a las condiciones exigidas.
Los tres ventiladores se disearon y construyeron entre octubre y diciembre de 2005,
ocupndose del proyecto el autor de este documento, bajo la supervisin del
responsable del departamento tcnico Olivier Saldou. Los tres ventiladores estn
actualmente instalados en la planta de PFIZER en Val de Reuil.
4.1 Caractersticas exigidas por el cliente
El cliente (SOGEQUIP) aport al realizar el pedido un documento con las condiciones a
cumplir por cada ventilador. La ms importante es el punto de funcionamiento nominal
que debe alcanzarse para que la mquina cumpla con su cometido dentro de la
instalacin, pero tambin se exigan otras caractersticas como que la voluta fuera
estanca o que las piezas en contacto con el fluido estuviesen fabricadas en aceroinoxidable. Adems se ponan lmites a los niveles de ruido generado, y otras
condiciones que se expondrn a continuacin.
El documento de SOGEQUIP tambin daba informacin necesaria para el diseo, como
las fuentes de alimentacin elctrica disponibles en el centro, las bridas de unin
empleadas en la instalacin Uno de los datos ms importantes era la advertencia de
que tanto el gas a impulsar por el ventilador como la atmsfera en que ste iba a
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situarse seran potencialmente explosivos, lo que condicionara el diseo con vistas a
evitar este riesgo cumpliendo la normativa ATEX.
El punto de funcionamiento del ventilador HPB ATEX 850 en condiciones ambiente (es
decir, cuando el gas impulsado es aire a 20 C y a una presin de 1 atmsfera) deba
ser:
Caudal nominal: 2500 Nm3/h
Altura manomtrica total nominal: 140 hPa
Sobre el gas a transportar se suministr la siguiente informacin:
Presin de aspiracin: -5 / +5 hPa
Presiones extremas: -10 a +200 hPa
Temperatura nominal de entrada: -40C
Fluido: Nitrgeno y COV con posibilidad de presencia de oxgeno
Composicin aproximada del gas:
o Di-cloro metano: 25 g/Nm3
o Otros compuestos orgnicos: 50 g/Nm3(Metanol, acetona, etanol...)
o Monxido de carbono: 300 ppm
o Dixido de carbono: 100 ppm
o Oxgeno: 5 %v (como mximo 15 %v)
o Nitrgeno: El complemento a 100 %o Punto de roco mayor: 4 C
o Trazas eventuales de cido clorhdrico
o Partculas: Ninguna
Entre las condiciones constructivas se encuentran:
El fabricante garantizar la adecuacin de la mquina a la normativa
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La voluta del ventilador ser estanca sin ninguna entrada de aire
En el rango de temperaturas y presiones de funcionamiento es posible la
condensacin de disolventes en la voluta, por lo que estar equipada con
purgas, encargndose Sogequip de la recogida del lquido condensado
Uniones con el resto de la instalacin: DN 250 PN 16 segn AFNOR
La estructura soporte ser diseada por el fabricante
Las piezas en contacto con el fluido estarn fabricadas en acero inoxidable 316L
Las juntas sern elegidas por el fabricante
No se tolerar la presencia de amianto
Los materiales utilizados sern conformes con la normativa AFNOR
Acabado:
o Interior: Elementos en contacto con el gas en acero inoxidable no
pintado
o Exterior (partes de acero inoxidable): Decapado
o Exterior (otros materiales): Pintura anti-corrosin
Insonorizacin: Presin sonora mxima de 76 dB(A) medidos segn AFNOR
Alimentacin elctrica: 400 V, 50 Hz, trifsico + tierra
La velocidad de giro del ventilador debe ser variable para adaptarse a las
variacin de las prdidas de carga de la instalacin
Tambin se facilitaron los siguientes datos:
Rgimen de funcionamiento: 7 das sobre 7
Implantacin: Exterior bajo abrigo
Clasificacin ATEX del ambiente exterior: ATEX II 3G II B T4
Clasificacin ATEX del ambiente interior: ATEX II 2G II B T4
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5 Normativa tenida en cuenta en el diseo
El diseo de una mquina est condicionado, adems de por lo pactado con el cliente,por las exigencias de seguridad de las distintas normas aplicables. En el diseo del
ventilador HPB ATEX 850 se tuvieron en cuenta las siguientes directivas europeas:
Directiva 98/37/CE sobre Seguridad en Mquinas
Directiva 97/23/CE sobre Equipos a Presin
Directiva 94/9/CE ATEX (Aparatos y Sistemas de Proteccin para Uso en
Atmsferas Potencialmente Explosivas)
Estas directivas se desarrollan en cada pas en normas concretas. Las normas
francesas, redactadas por la AFNOR, suelen establecer en primer lugar un sistema de
clasificacin del aparato para evaluar su peligrosidad en relacin a un determinado
aspecto. Si la mquina es suficientemente peligrosa, se suele obligar a realizar un
anlisis de riesgos y a proponer medidas para eliminar o reducir los riesgos asociadosal aparato y a su funcionamiento. En algunos casos las normas tambin pueden
realizar exigencias de diseo concretas, obligar a la realizacin de determinados
ensayos
5.1 Directiva 98/37/CE sobre Seguridad en Mquinas
La norma que recoge las exigencias de esta directiva para ventiladores industriales es
la NF ISO 12499 Seguridad mecnica de ventiladores. Segn esta norma deben
evaluarse los fenmenos relacionados con el ventilador y su funcionamiento que
pueden ser motivo de lesiones para las personas y eliminarlos si es posible, y si no lo
es establecer medios de proteccin e informar al usuario de los riesgos. La lista de
riesgos evaluados y las disposiciones adoptadas son las siguientes:
Contacto con piezas mviles: Las piezas mviles estn situadas en el interior de
la voluta, que dispondr de rejillas en la entrada y la salida. Se informar al
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cliente de que no se debe desmontar la voluta hasta que no se haya
comprobado que la rueda est completamente parada.
Arrastre por la corriente de aspiracin: Hay rejillas en la aspiracin y el
ventilador est conectado a un conducto. Se informar al cliente del peligro de
ser arrastrado por la corriente de aspiracin.
Objeto despedido a gran velocidad por la impulsin o la aspiracin: Las rejillas
evitarn la penetracin de elementos extraos que puedan ser posteriormente
despedidos.
Rotura de algn elemento del ventilador: Se informar al cliente de que ante
cualquier signo de fallo estructural de alguna pieza se debe parar la mquina y
avisar al fabricante.
Contacto con superficies a alta temperatura: Se realizar un estudio de
temperatura superficial para comprobar que las temperaturas alcanzadas no
sean peligrosas. En caso de que lo sean, se informar al cliente del riesgo.
Apertura no autorizada o accidental de la carcasa: Todas las rejillas, tapas y
elementos de cierre de la voluta estarn fijadas con dispositivos (como
tornillos) que slo puedan ser retirados haciendo uso de herramientas para
evitar que alguien pueda acceder al interior de la voluta accidentalmente.
Contacto elctrico: Todas las masas de la mquina estarn conectadas a tierra.
Se exigir al fabricante del motor que cumpla la reglamentacin
correspondiente.
Se incluye en anexo el documento que entrega AEIB a sus clientes con las
instrucciones de seguridad de sus ventiladores.
5.2 Directiva 97/23/CE sobre Equipos a Presin
Esta directiva es de aplicacin para todos aquellos recipientes cuya presin interior es
distinta de la exterior, condicionando su diseo y su fabricacin en funcin de su
peligrosidad con el objeto de reducir el riesgo de accidentes por fallo mecnico.
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Siguiendo esta directiva, el ventilador HPB ATEX 850 queda clasificado como no
peligroso en cuanto a recipiente sometido a presin. Esto era de esperar, ya que la
presin del gas en la aspiracin segn los datos facilitados por el cliente es del orden
de la atmosfrica, y el incremento de presin que genera un ventilador es pequeo,
por lo que los incrementos de presin mximos en el interior de la voluta sern delorden de un 20% de la atmosfrica, que es un valor muy pequeo.
La directiva clasifica en primer lugar el fluido, que por ser potencialmente explosivo
ser de grupo 1. Para recipientes conteniendo gases de grupo 1 bajo una presin
inferior al 50 % de la atmosfrica no son aplicables las normas de diseo de
recipientes bajo presin, por lo que no tenemos en este sentido ms obligaciones que
respetar las normas del buen hacer.
5.3 Directiva 94/9/CE ATEX
Esta directiva regula el diseo y fabricacin de aparatos que van a ser usados en
presencia de atmsferas explosivas o potencialmente explosivas. La directiva clasifica
el equipo en funcin de las condiciones de funcionamiento (caractersticas de los gasespresentes, uso previsto) y a continuacin remite a las normas especficas aplicables a
cada tipo de mquina en cada pas.
La clasificacin ATEX del ventilador fue llevada a cabo por el cliente. Su categorizacin
fue ATEX II 2G-II B T4, es decir:
Aparato de grupo II: No apto para uso minero
Categora 2: Aparatos destinados a un ambiente en el que atmsferas
explosivas debidas a mezclas de aire y gas, de vapores o polvos inflamables se
manifestarn probablemente. Los medios de proteccin de estos aparatos
deben asegurar el nivel de proteccin requerido durante su funcionamiento
normal y en el caso de disfunciones previsibles.
Grupo G: Atmsfera explosiva debida a gas o vapores
Grupo de gases explosivos IIB
Clase de temperatura T4: Temperatura mxima de superficie admisible 135 C
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En AEIB se procedi a seguir la normativa francesa para ventiladores industriales con
esta clasificacin ATEX. Las normas tenidas en cuenta en el diseo de la mquina han
sido la NF EN 13463-1 Material no elctrico para uso en atmsferas explosivas y la Pr
NF EN 14986 Diseo de ventiladores para atmsferas explosivas. Las consideracionesde estas normas que se tuvieron en cuenta se exponen a continuacin.
5.3.1 Anlisis de riesgo
La normativa ATEX exige para los aparatos de categora 2 una lista de todas las
posibles causas de inflamacin durante el funcionamiento normal y en el caso de unadisfuncin. Los riesgos evaluados durante el funcionamiento normal, las medidas
aplicadas para evitarlos y los sistemas de proteccin utilizados han sido:
Rozamiento entre piezas mviles y fijas (turbina y voluta): Se respetarn los
juegos establecidos por la norma
Descarga de electricidad esttica: Se verificar la continuidad elctrica entre
todos los elementos del ventilador estarn y se limitar el espesor de la capa de
pintura segn norma Choque de algn elemento extrao sobre la voluta que origine una deformacin
sobre la misma y un rozamiento entre sta y la turbina: Se realizar un ensayo
de resistencia a choque de la voluta segn norma
Aumento de la temperatura en la superficie de las piezas por encima de 135
C: Se llevar a cabo un ensayo de temperatura superficial
Sobrecalentamiento del motor: El motor estar protegido por correctamente
para evitar sobrecalentamientos
Las disfunciones previsibles que se han encontrado han sido:
Falta de apriete del tornillo de fijacin del rodete al eje del motor permitiendo
un rozamiento entre piezas: Deber verificarse peridicamente el apriete de
tuercas y tornillos
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Vibraciones que originen una deterioro de la turbina o una falta de apriete de
tuercas y tornillos: Deber verificarse peridicamente el nivel de vibracin del
ventilador
Acumulacin de partculas o suciedad en el espacio entre piezas mviles
prximas: Limpieza peridica del ventilador
Entrada de algn elemento extrao la voluta durante el funcionamiento: Se
instalarn rejillas en las vas de entrada y salida
Fallo elctrico en el motor: Se exigir al fabricante del motor que cumpla la
normativa ATEX correspondiente
Como disfuncin rara se encuentra la posible ruptura de la turbina, riesgo que seminimizar sobredimensionando esta pieza y sus cordones de soldadura.
Todas las medidas de seguridad que tengan que ser tenidas en cuenta por el cliente en
la puesta en marcha o durante el funcionamiento del ventilador se incluyen en el
manual del usuario anexo.
5.3.2 Limitacin de temperatura
La temperatura de superficie mxima ser 135 C. La norma exige que la evaluacin
de esta temperatura se realice tomando el mayor de estos valores:
a) La temperatura mxima de superficie obtenida en ensayo en
condiciones ambiente aumentada en 5C
b) La temperatura mxima del fluido en la impulsin multiplicada por 1.2
cuando la temperatura de aspiracin es de 60 C
Estas temperaturas son mucho menores que la mxima permitida, la primera de ellas
por la experiencia de AEIB (lo que se comprobar en el ensayo correspondiente) y la
segunda por ser muy pequea la relacin de compresin del ventilador, con lo que el
aumento de temperatura del gas debido a la compresin es insignificante.
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5.3.3 Comportamiento ante choques
Debe comprobarse que si la mquina recibe un choque de una energa de 7 julios
ninguna parte mvil entrar en contacto con partes fijas. Para ello se llevar a cabo un
ensayo conforme a la norma, en el que se har caer una masa desde una alturadeterminada sobre la zona ms dbil de la voluta para comprobar que no se producen
deformaciones permanentes.
5.3.4 Estanqueidad de la voluta
Para ventiladores con motores de ms de 15 kW se exige que la voluta est soldada en
continuo. Se exige una categora de fuga D segn la tabla 4 de la norma ISO
13349:1999. No lo exige la norma, pero se llevar a cabo un ensayo hidrulico a una
vez y media la presin de servicio para comprobar que la voluta es estanca.
Tambin deber garantizarse la estanqueidad en las uniones de la voluta con otros
elementos, esto es en las bridas de unin con la instalacin, para lo que se usarn
juntas apropiadas, y en la unin con el motor, en la que se instalar un sistema deestanqueidad basado en discos de carbono fragmentados.
5.3.5 Resistencia mecnica del rodete
Se sobredimensionar el rodete para garantizar que no se romper durante el
funcionamiento de la mquina, lo que sera muy peligroso. Adems la norma exige la
realizacin de un ensayo con una velocidad de giro 1.15 veces la velocidad mxima de
funcionamiento.
5.3.6 Asociacin de materiales
En la eleccin del material en que van a ser fabricados los distintos componentes
deben tenerse en cuenta las siguientes condiciones:
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Slo podrn usarse aleaciones de menos del 15% de aluminio y de estructura
homognea.
Las pinturas y revestimientos debern tener menos del 10% de aluminio.
En el caso de elementos de acero inoxidable debe tenerse en cuenta:
o El acero debe ser austentico y no magntico, para evitar la induccin de
magnetismo
o El contenido en cromo debe ser al menos del 18,5%. Los aceros
inoxidables utilizados habitualmente son de contenido en cromo menor
que el 16,5 % y pueden ser causa de inflamacin por frotamiento
o Si el ventilador tiene elementos de acero inoxidable debe realizarse un
control de vibracin Composicin de piezas entre las que exista rozamiento: Slo habr rozamiento
en el mecanismo de estanqueidad de la unin voluta-motor. La composicin de
los elementos de este mecanismo debe ser tal que esa friccin no pueda ser
causa de inflamacin por un aumento de temperatura, por acumulacin de
electricidad esttica Se han elegido con este fin discos de carbono que se
describen en el apartado correspondiente.
5.3.7 Vibracin
La norma exige que se realice un ensayo de vibracin para comprobar que no rebasa
unos determinados lmites. Adems, durante la vida del ventilador se realizarn
ensayos peridicos con el objetivo de detectar posibles disfunciones. Para que el nivel
de vibraciones sea el mnimo, la rueda ser equilibrada conforme a la norma ISO
14694.
5.3.8 Depsitos en el interior de la voluta
La suciedad acumulada en el interior de la voluta puede ser causa de inflamacin, por
lo que el diseo de la voluta debe permitir su desmontaje para facilitar su inspeccin y
limpieza. Adems debe elegirse un diseo que no favorezca la acumulacin dedepsitos y suciedad.
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5.3.9 Juego entre elementos mviles y fijos
El juego mnimo entre un elemento en rotacin y uno fijo ser del 1% del dimetro de
contacto, y nunca menor a 2 mm. No son necesarios juegos mayores de 20 mm. Las
zonas en que no sea posible este juego deben ser claramente identificadas,
estudindose una solucin apropiada que garantice que el rozamiento no constituya un
riesgo de inflamacin. Esto slo ocurre en el mecanismo de estanqueidad de la unin
voluta-motor, cuyo sistema basado en anillos de carbono se describe ms adelante.
5.3.10 Fijacin rodete-eje
La norma obliga a utilizar un sistema de unin del rodete al eje del motor que no
permita ningn rozamiento entre piezas. Este sistema constar de una arandela y un
tornillo a atornillar en el extremo del eje del motor para fijar el rodete al mismo. Para
evitar el giro relativo rodete-eje se elegir un ajuste adecuado y se usar un pasador
de eje longitudinal normalizado.
5.3.11 Corrosin
Los materiales de construccin deben estar protegidos contra la accin corrosiva de la
atmsfera ambiente y del fluido impulsado.
5.3.12 Resistencia al fuego
La norma establece que los materiales utilizados deben resistir una breve exposicin a
una llama. Esta exigencia se satisface si los componentes no son destruidos ni
comienza su combustin al ser expuestos a una llama de Bec Bunsen (propano) a lo
largo de unos 150 mm durante 30 segundos sin alimentacin suplementaria de aire.
Los materiales de construccin del ventilador cumplen esta condicin.
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5.3.13 Proteccin contra partculas exteriores
La normativa exige una proteccin contra la penetracin de partculas que corresponda
al menos al ndice IP 20, a menos que el ventilador funcione conectado a una
instalacin con un conducto de aspiracin y otro de impulsin, en cuyo caso bastarcon que las instrucciones de uso informen al usuario del riesgo que supone la
penetracin de partculas.
5.3.14 Material elctrico
El material elctrico debe cumplir la normativa correspondiente, lo que se exigir al
fabricante del motor.
5.3.15 Cargas electrostticas
Para eliminar el riesgo de inflamacin debido a cargas electrostticas se comprobar
que hay continuidad elctrica entre todos los elementos de la mquina, y todas las
masas estarn conectadas a tierra. Adems la norma establece para la clasificacin
ATEX de este ventilador un espesor mximo de pintura de 2 mm.
5.3.16 Placa identificativa
El ventilador debe estar equipado de una placa de identificacin permanente, colocada
en un lugar visible y fcilmente accesible. Esta placa debe contener, al menos, lasiguiente informacin:
Nombre y direccin del fabricante
Ao de fabricacin
Identificacin de la serie o tipo de mquina (si est definido)
El nmero de serie o de identificacin del aparato
Informacin relativa a las caractersticas asignadas (presin y temperatura de lavoluta)
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Condiciones de utilizacin
Nmero de la norma aplicable
Referencia a las instrucciones de instalacin, de montaje y de puesta en
servicio
Marcaje de seguridad
5.3.17 Documentacin para el usuario
La norma obliga a incluir una informacin mnima en la documentacin a entregar al
usuario con el ventilador, en la que se comuniquen las medidas de seguridad a aplicar
en su transporte, instalacin, puesta en servicio para evitar daos o errores de
montaje que puedan ser origen de futuras inflamaciones. Tambin se debe informar de
las inspecciones, ensayos y operaciones de mantenimiento a realizar sobre la mquina
a lo largo de su vida.
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6 Diseo hidrulico del ventilador
Como se ha comentado previamente, dado un ventilador definido por su geometra ygirando a una determinada velocidad, para cada diferencia de presin a salvar entre
entrada y salida el caudal vendr tambin dado por su curva de funcionamiento.
Cuando estamos en el caso opuesto, es decir, cuando conocemos el caudal y la
diferencia de presin que necesitamos vencer, lo que debemos hacer es buscar un
ventilador en cuya curva de funcionamiento est incluido el punto de funcionamiento
deseado. A este proceso de bsqueda de un ventilador que sea capaz de funcionar en
el punto exigido le llamaremos diseo hidrulico del ventilador, y consiste en
determinar la forma y las dimensiones de voluta y rodete (dimetros interiores y
exteriores, anchura) y la velocidad de giro en que debe trabajar.
6.1 Descripcin de los procedimientos y programas de clculo
En AEIB el diseo hidrulico de los ventiladores especiales centrfugos se realiza por
semejanza utilizando una serie de hojas de clculo desarrolladas experimentalmente.
En ellas se recogen los resultados de los ensayos realizados sobre ventiladores
clasificados en tres gamas.
Las mquinas de cada gama tienen una geometra distinta, y ofrecen una relacin
entre caudal e incremento de presin adimensionales en el punto de mayor
rendimiento diferente, estando diseada la gama A para grandes caudales e
incrementos de presin moderados, la gama B para caudales y saltos de presin
medios y la gama C para caudales pequeos e incrementos de presin altos. La
geometra de los ventiladores de cada gama est completamente definida en funcin
de dos parmetros: los dimetros interior y exterior del rodete (D0y D2). A su vez cada
gama est dividida en familias semejantes, definidas por la proporcin D0/D2. La tabla
de clculo dispone de las curvas de funcionamiento adimensionales de ms de 30
familias, de forma que en el diseo se procede de la forma siguiente:
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1. Preseleccin de la familia: En la hoja de preseleccin se introducen el caudal y
el salto de presin deseados (punto de funcionamiento). Una tabla nos muestra
para cada familia el dimetro D2 y la velocidad de giro que debera tener la
rueda para alcanzar ese punto. La tabla de clculo tambin permite imponer
una velocidad de giro o un dimetro de rueda, calculando por interpolacin laotra variable y la relacin D0/D2de una familia intermedia imaginaria.
2. Una vez elegida una familia se introduce la tabla de puntos de funcionamiento
adimensionales junto con los parmetros especficos del ventilador deseado en
una segunda hoja que genera la curva de funcionamiento del mismo. Este
proceso puede realizarse con cuantas familias se crea oportuno para elegir la
mquina de curva caracterstica ms apropiada al proyecto en estudio.
3. Para obtener la geometra del ventilador elegido, introducimos su referencia(gama, dimetro de la rueda D2 y proporcin D0/D2) en una tercera hoja de
clculo.
La familia elegida ser aquella para la que el dimetro de la rueda y la velocidad de
giro sean ms apropiadas. Esta idoneidad depender por supuesto de los
condicionantes de cada proyecto: Si la mquina debe hacerse en un material muy caro
o si tenemos limitaciones de espacio se procurar que la rueda sea pequea, sinembargo si nos preocupan especialmente el ruido o las vibraciones ser ms
conveniente elegir una velocidad de giro menor aunque sea a costa de aumentar el
dimetro D2.
6.1.1 Ventajas e inconvenientes del mtodo de diseo
El principal inconveniente de esta manera de disear los ventiladores es claramente la
limitacin que supone tener que ceirse a la treintena de familias contenidas en la hoja
de clculo. Sin embargo el ahorro de tiempo y esfuerzo supone una gran ventaja
frente a otros mtodos, como el uso de los complejos (y costosos) programas de
clculo de mecnica de fluidos existentes en el mercado, as como el hecho de que no
sea necesario realizar prototipos ni comprobaciones de ninguna clase, ya que la hoja
de clculo est ya basada en los resultados de pruebas experimentales. En definitiva,
para una sociedad de las caractersticas de AEIB donde las mquinas se fabrican
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prcticamente a la unidad y las exigencias de rendimiento de las mismas son
moderadas el mtodo de diseo puede considerarse bastante acertado.
6.2 Obtencin de las dimensiones caractersticas
Al introducir en la hoja de preseleccin el punto de funcionamiento que buscamos
(diferencia de presin de 140 hPa y caudal de 2500 Nm3), el programa nos devuelve
una tabla en la que se recoge el dimetro de rodete y velocidad de giro que deberan
tener los ventiladores de cada familia. Hay que tener en cuenta que en esta tabla debe
introducirse el punto de funcionamiento cuando el gas impulsado es aire en
condiciones ambiente (20C y 1 atm), por lo que habra que corregir los datos deentrada utilizando semejanza (no es necesario en este caso por habernos dado el
cliente el punto de funcionamiento nominal deseado ya referido a aire en condiciones
ambiente).
Tabla 6.2a.1) Tabla de preseleccin gama A
GAMA A
Referencia: SOGEQUIPCaudal requerido (m3/h): 2682Incremento de presin total (Pa): 14000
Familia Dimetro exterior D2 (mm)Velocidad de giro
(rpm)0.447 257 115630.473 243 122480.501 229 129740.531 216 13743
0.562 204 145570.596 193 154200.631 182 163340.668 172 173010.708 162 183270.750 153 194130.794 144 20563
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GAMA B
Referencia: SOGEQUIPCaudal requerido (m3/h): 2682Incremento de presin total (Pa): 14000
Familia Dimetro exterior D2 (mm) Velocidad de giro(rpm)
0.200 820 29690.211 774 31450.224 731 33320.237 690 35290.251 651 37380.266 615 39600.282 581 41940.299 548 44430.316 517 4706
0.335 488 49850.355 461 52810.376 435 55930.398 411 59250.422 388 62760.447 366 66480.473 346 70420.501 326 74590.531 308 79010.562 291 83690.596 275 88650.631 259 9390
Tabla 6.2a.2) Tabla de preseleccin gama B
En la preseleccin se excluyeron desde el inicio las familias de la gama C por ser ms
compleja su fabricacin, por lo que se usan slo cuando las gamas A y B no pueden
alcanzar los puntos requeridos. El primer criterio de seleccin es la velocidad de giro.
Los motores elctricos asncronos de dos polos como el que vamos a usar tienen una
velocidad nominal de unas 3000 rpm cuando funcionan a 50 Hz. Tomaremos entonces
la familia 0.200 de la gama B, ya que el dimetro de rodete que ofrece tambin es
adecuado.
Lo que obtenemos de la tabla de preseleccin no es ms que una lista de los
ventiladores de cada familia para los que el punto de funcionamiento deseado es el de
mayor rendimiento, es decir, no conocemos la curva de funcionamiento de cada
ventilador, la potencia que consume Para comprobar que un ventilador es apto para
ser usado necesitamos estos datos. Por ello, una vez preseleccionada la familia, se
pasa a la tabla de seleccin del ventilador. En ella, dada una familia, se introduce el
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dimetro de rodete y la velocidad de giro, obtenindose las curvas presin total-
caudal, presin esttica-caudal y potencia en eje-caudal. Tambin pueden incluirse en
esta tabla otros datos que afectan a la curva de funcionamiento del ventilador:
Dimetro de obstculos: El programa tiene en cuenta la posibilidad de que el
ventilador deseado presente algn obstculo en la va de aspiracin, como porejemplo en el caso de que el eje motor la atraviese.
Efecto de escala: Cuando el dimetro del rodete es menor a uno determinado
para cada gama, se debe incluir este factor corrector segn un grfico
elaborado por el autor del programa de clculo. Este factor sirve para tener en
cuenta el efecto de la rugosidad superficial que para dimetros de rodete muy
pequeos se hace importante invalidando las relaciones de semejanza.
Coeficientes correctores: Estos coeficientes penalizan el caudal, la presin y la
potencia. Se incluyen para tener en cuenta las diferencias que habr entre el
diseo que propone el programa y el que finalmente realicemos (que ser
menos eficiente, ya que tenemos limitaciones de juego, simplificaremos algunas
piezas para facilitar su fabricacin).
Densidad del gas: En la tabla de preseleccin los clculos estn hechos
suponiendo que el gas es aire en condiciones ambiente (20C y 1 atm). En la
tabla de seleccin s se puede incluir la densidad real del gas.
Una vez preseleccionada la familia e introducidos todos los datos en la tabla de
seleccin, se ajusta el valor del dimetro de rodete y de la velocidad de giro para
obtener una curva de funcionamiento adecuada. Los resultados obtenidos en este
proceso se presentan en la tabla 6.2b).
Los parmetros adimensionales PHI y PSIT estn definidos de la siguiente manera:
( ) )/()()/(
2
22
3
segmUmS
segmQPHI
asp =
( )22
3 )/(*)/(
)(204,1
segmUmKg
mmCApPSIT
=
Donde:
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Q es el caudal
p es el incremento de presin total
Saspes el rea de aspiracin corregida teniendo en cuenta el dimetro de los
posibles obstculos
U2es la velocidad perimetral del rodete
es la densidad del fluido
Los parmetros de adimensionalizacin se calculan internamente a partir de los datos
generales introducidos en la tabla.
DATOS GENERALES
Referencia: SOGEQUIP OF 4133Dimetro de rodete D2 (mm): 860Velocidad de giro (rpm): 2950Densidad (kg/m3): 1.204Dimetro de obstculo (mm): 0Efecto de escala: 1Coeficiente corrector caudal: 0.95Coeficiente corrector presin: 0.95Coeficiente corrector potencia: 1
Identificacin de la familia: Familia 0.200 BVALORES ADIMENSIONALES
PHI PSIT PSIT corregido Rendimiento0 0.085 0.085 0
0.1 0.088 0.088 0.410.2 0.089 0.089 0.615
0.25 0.0885 0.0885 0.660.3 0.085 0.085 0.650.4 0.069 0.069 0.570.5 0.042 0.042 0.41
VALORES REALES CORREGIDOS
Caudal
(m3/h)
Presin total
(Pa)
Presin esttica
(Pa)
Potencia en eje
(W)0 14025 14025 69041056 14520 14497 115062111 14685 14594 155162639 14602 14461 179713167 14025 13821 210304222 11385 11023 259575278 6930 6365 27457
Tabla 6.2b) Caractersticas hidrulicas de diseo del ventilador
La curva de funcionamiento calculada se muestra a continuacin:
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HPB 860 020-2-30 kW ATEX 2950 rpm1,204 kg/m3
0
2000
4000
6000
8000
10000
12000
14000
16000
0 1000 2000 3000 4000 5000 6000
Caudal (m3/h)
Incr.Presin(Pa)
0
5
10
15
20
25
30
Potencia(kW)
Presin total (Pa)
Presin esttica (Pa)
Potencia en eje (kW)
Fig. 6.2a) Curva de funcionamiento de diseo del ventilador
El siguiente paso es introducir la referencia de la familia y el dimetro del rodete en
una tercera tabla que nos da todas las dimensiones necesarias para definir
completamente rodete y voluta en base a los planos adimensionales de cada gama.
Las dimensiones que propone el programa de diseo se muestran en la tabla 6.2c. Enlas figuras 6.2b y 6.2c se definen dichas dimensiones.
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DATOS
Referencia: SOGEQUIPFamilia: 0.200 BDimetro exterior del rodete D2 (mm): 860
RODETEDimetro D2 (mm) 860R2 (mm) 430Do (mm) 172So (m2) 0.023235D1ar (mm) 172D1av (mm) 192.99B1th (mm) 43.2coeficiente KL 1.33B1 real (mm) 57.27S1 real (m2) 0.034721
S1 real/So 1.494Beta1 (D1av) () 33Beta2 (p.pl.) () 79.15B2 (mm) 57.27S2 (m2) 0.154726S2/So 6.659Rb (mm) 9.67D3 (mm) 910.96
VOLUTA
A (mm) 172.00A' (mm) 192.99
B (mm) 108.52Sr (m2) 0.020944Sr/So 0.901l (mm) 542.623r0 (mm) 541.34H0 (mm) 456.62theta0 () 57.51r4 (mm) 628.62theta4 (rad) 5.72M 0.026152r1 (mm) 555.74
r2 (mm) 579.04r3 (mm) 603.32G (mm) 608.83Rbq (mm) 21.60
Hb (mm) 435.02
PAVILLON
D2p (mm) 153.3R4p (mm) 30.59D1p (mm) 214.47L1p (mm) 5.44
Tabla 6.2c) Dimensiones del ventilador
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Figura 6.2b) Dimensiones tericas de la voluta
Figura 6.2c) Dimensiones tericas del rodete
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7 Diseo de detalle del ventilador
A partir de aqu comienza el diseo del ventilador real, en el que habr que tener encuenta:
Las dimensiones propuestas por el programa de diseo hidrulico, que debern
respetarse en la medida de lo posible para que el ventilador que finalmente se
fabrique pueda cumplir con su objetivo correctamente. No obstante, gracias a
los coeficientes correctores que se han introducido en la obtencin de la curva
de funcionamiento son admisibles ligeras variaciones sobre estas dimensiones,
con lo que podremos modificar el diseo para simplificar la fabricacin, para
cumplir las restricciones de la normativa
La resistencia mecnica de las piezas.
Los procesos de fabricacin disponibles en el taller y las operaciones que
puedan contratarse a otras empresas sin incurrir en costes demasiado
elevados.
Los componentes disponibles en el mercado y su precio.
Las condiciones impuestas por el cliente y por la normativa.
La necesidad de desmontar el ventilador para su limpieza, mantenimiento y la
de trasladarlo.
A lo largo del proceso de diseo se van realizando modelos 3D (usando el programa
Pro Desktop) de cada una de las piezas diseadas y de los componentes
seleccionados. A la vez se va montando el modelo del ventilador completo,comprobndose que las piezas encajan correctamente, que se respetan los juegos
necesarios y se realizan las modificaciones oportunas a cada pieza. Tambin se
puede comprobar si la fabricacin y montaje son fciles de llevar a cabo, evitndose
futuros problemas.
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Fig. 7a) Despiece del ventilador
Las piezas que componen el ventilador son (de izquierda a derecha en la figura 7a)):
Motor
Mecanismo de estanqueidad en eje
Estructura soporte (con el contradisco de cierre soldado)
Rodete
Arandela de fijacin del rodete al eje motor
Voluta
Soportes antivibratorios
Se adjuntan en anexo los planos de fabricacin de todas las piezas y planos de
dimensiones generales de los componentes y conjuntos.
7.1 Material
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El cliente exigi que las piezas en contacto con el fluido se fabricasen en acero
inoxidable 316L, por lo que el rodete y la voluta sern de este material. El 316L es un
acero inoxidable austentico de bajo contenido en carbono (
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fenmenos de resonancia) que se posicionarn sobre los discos con la ayuda de unas
muescas, y se soldarn a los mismos. El disco posterior se fabricar en chapa de 6 mm
de espesor, el anterior de 3 mm y los labes de 4 mm. Por experiencia de AEIB con
estos espesores se garantiza sobradamente la resistencia y rigidez del rodete. Cuando
en algn nuevo ventilador las dimensiones o las caractersticas del rodete son tales quela experiencia adquirida no es suficiente para asegurar su rigidez, se realiza una
comprobacin de estos espesores con el programa de elementos finitos ACORD-CP.
Fig. 7.2b) Despiece del rodete
Para acoplar la rueda al eje del motor se fabricar un cubo de pasador de eje
respetando las dimensiones recomendadas por la normativa para poder usar unpasador longitudinal normalizado. Este cubo se mecanizar a partir de un cilindro de
acero, y se acoplar al disco posterior por medio de 8 tornillos M10. No se utilizarn
tuercas, sino que se filetear directamente sobre la pieza para que la unin cubo-disco
posterior sea ms rgida. Tambin se practicarn dos orificios fileteados M8 para poder
extraer ms fcilmente el rodete del eje del motor cuando se quiera desmontar el
ventilador.
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7.3 Geometra de la voluta
La voluta ser desmontable para permitir el acceso a su interior y el montaje del
rodete. Se compondr por lo tanto de dos piezas: la voluta propiamente dicha y un
disco de cierre. La voluta en s se fabricar enrollando una lmina de chapa con elcontorno deseado (lo ms parecido posible a la espiral que propone el programa de
clculo) y soldndole un disco delantero con un agujero en el centro para la aspiracin
y un disco trasero con un agujero por el que quepa la turbina. En la boca de aspiracin
se soldar el conjunto tolva-brida y en la impulsin igual. El disco de cierre se
atornillar al disco trasero, y tendr un agujero para el eje del motor.
Fig. 7.3a) Voluta
Las dimensiones de la voluta variarn un poco de las dictadas por el programa de
diseo, ya que el cliente debe instalar el ventilador en un espacio algo reducido. De
esta forma se acortar el conducto de impulsin, que ser sustituido por una tolva que
servir para adaptar la seccin de salida rectangular a la brida circular. En la aspiracin
tambin se soldar una tolva (cnica) con su brida correspondiente. Las bridas sern
bridas normalizadas DN250 PN16 segn AFNOR, como pide el cliente para que seanacoplables a los conductos de la instalacin. En el punto ms bajo de la voluta, se
instalar una purga. La distancia entre los discos delantero y trasero viene marcada
fundamentalmente por los juegos que debe haber entre las piezas mviles y las fijas
segn la normativa ATEX. En efecto se puede comprobar que dichas exigencias se
cumplen (ver planos).
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Los discos posterior y anterior se fabricarn en chapa de 6 mm, el disco de cierre de 8
mm y la lmina del contorno en 4 mm. Las tolvas se harn en chapa de 3 mm. Los
elementos estarn soldados en continuo para garantizar la estanqueidad de la voluta.
Fig. 7.3b) Despiece de la voluta
Los refuerzos que pueden observarse en las figuras forman parte de la estructura de
soporte de la que se hablar ms adelante.
7.4 Refuerzo tubo de aspiracin
Una vez lanzada la fabricacin de la mquina se decidi aadir unos refuerzos al disco
delantero de la voluta en su unin con el tubo de aspiracin para dar mayor rigidez en
esa zona, ya que la vibracin de la mquina en los primeros ensayos fue algo mayor
de la esperada. Por este motivo los refuerzos no aparecen en el modelo 3D ni en los
planos de fabricacin.
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7.5 Motor
Como es natural, el motor no podemos disearlo a nuestro antojo, sino que debemos
elegirlo de entre los disponibles en el mercado. Esta disponibilidad tiene influencia
hasta en el diseo hidrulico del ventilador, como se ha comentado en el apartadocorrespondiente. En la eleccin del motor hay que tener en cuenta las caractersticas
de funcionamiento que necesitamos (potencia y velocidad de giro), las caractersticas
de la instalacin elctrica del cliente y los condicionantes especiales (atmsfera
explosiva). Del catlogo de motores antideflagrantes Leroy-Somer se seleccion un
motor elctrico asncrono de 2 polos con las siguientes caractersticas:
Denominacin: FLSD 200L
Potencia nominal a 50 Hz: 30 kW
Velocidad de giro nominal: 2955 rpm
Par nominal: 97 Nm
Rendimiento: 0.91
Factor de potencia: 0.91
Una vez seleccionado el modelo hay que contactar con el fabricante para solicitarle un
presupuesto para un motor que cumpla las con las caractersticas especiales de
nuestro proyecto. Habr que informarle de la clasificacin ATEX requerida, del peso y
dimensiones de la turbina a impulsar, de las velocidades de giro que se quieren
alcanzar con el variador de frecuencia que se instalar posteriormente, de la fuente de
alimentacin disponible Estas condiciones influirn en las dimensiones exteriores del
motor, que nos interesan para el diseo de otras piezas. A lo largo del proceso de
diseo se ir contactando con el fabricante del motor hasta llegar a un acuerdo sobrelas dimensiones y caractersticas del eje motor, del soporte del motor
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Fig. 7.5a) Motor
Finalmente el motor que se compr tena las siguientes caractersticas:
Modelo FLSD 200L 2 polos 30kW 3x 400V tringulo 50Hz IP55 B3
Aislamiento clase F Calentamiento clase B Temperatura ambiente < 40 C
ATEX zona 1 II2G Eexd IIBT4
Acabado Corrobloc con pintura sistema IIIa-epoxi
Variacin de velocidad de 25 a 50Hz a par constante de 87Nm mximo, y de 50
a 60Hz a potencia constante de 27kW mximo
Eje de dimetro 60 x 50mm + 55 x 110mm
Se incluye en anexo el plano de dimensiones generales acordado con el fabricante.
7.6 Estanqueidad de la voluta
La voluta debe ser completamente estanca. Para ello las piezas que la componen
estarn soldadas en continuo, quedando slo por garantizar la estanqueidad en las
uniones con otros elementos. En las uniones con los conductos de aspiracin e
impulsin se instalarn juntas de PTFE de 2mm de espesor, al igual que entre el disco
de cierre y el disco posterior de la voluta, y entre este ltimo y el mecanismo deestanqueidad en la holgura del eje motor.
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La zona donde es ms difcil controlar las fugas es en la abertura por la que entra el
eje del motor. Entre el eje y el contradisco de cierre debe haber un cierto juego para
evitar el contacto, fijado por la norma ATEX en 2mm como mnimo. Para evitar fugas
por esta holgura se instalar un sistema de anillos de carbono fragmentados como elque se muestra en la figura:
Fig. 7.6a) Sistema de anillos de carbono fragmentados. El mecanismo instalado es similar al representado
en la figura pero slo consta de dos discos
El mecanismo est compuesto por un cuerpo cilndrico de acero inoxidable que se fija a
la voluta, dos discos de carbono fragmentados y una camisa cilndrica de acero
inoxidable que encaja en el eje del motor. El cuerpo est formado por dos piezas
semicilndricas que al montarse dejan una cmara interna, con aberturas circulares en
ambas bases por las que se introduce el eje con su camisa. Se instala un disco de
carbono junto a cada abertura en ranuras dentro de la cmara. Estos discos estn
formados por tres piezas de carbono en forma de queso unidos por un resorte que los
ajustan a la camisa, quedando holgados en la ranura del cuerpo principal. Una vez
montado el mecanismo quedan tres zonas: el interior de la voluta, la cmara interna
del cuerpo cilndrico y el atmsfera exterior. Para que no haya fugas lo que se hace es
inyectar nitrgeno en la cmara a una presin mayor que la atmosfrica y que la del
interior de la voluta, con lo que los discos de carbono se pegan a la superficie interiorde la cmara y la aslan. Adems, la mayor presin en la cmara garantiza que en caso
de que hubiese alguna fuga sera de nitrgeno, bien hacia el interior de la voluta o
hacia la atmsfera, lo que no sera peligroso.
Fig. 7.6b) Discos de carbono fragmentados
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Ante las condiciones de servicio que se exigieron a Burgmann (dimetro del eje,
velocidad de giro, composicin del gas, temperatura, presin diferencial), el
fabricante propuso un conjunto WDKS70-40ND compuesto por:
1 cuerpo de acero inoxidable 70/190mm y longitud 40mm en dos partes con
fijacin por 4 agujeros 15mm sobre 150mm y conexin para inyectar
nitrgeno G1/2
2 Discos de carbono en tres partes en E10K
Camisa tipo WDB212 de dimetros 60/70mm y longitud 50mm
Las principales ventajas de este sistema estn en las propiedades del carbono, que secomporta muy bien ante la friccin a la los discos van a exponerse. Su carcter
autolubricante y sus buenas propiedades como conductor evitan el aumento excesivo
de la temperatura en las zonas de contacto, as como la aparicin de chispas que
puedan resultar peligrosas.
7.7 Estructura soporteLa estructura soporte consistir en una silla sobre la que descansar el motor y a la
que ir soldado el disco de cierre. Adems la voluta llevar soldadas dos soportes en
su disco anterior.
Fig. 7.7a) Estructura soporte del ventilador
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La silla para el motor est compuesta por un asiento de chapa plegada de 6mm con un
refuerzo transversal y una estructura fabricada con esquineras de 60x60x6mm. La
estructura tiene aberturas para fijar el motor y las suspensiones, y dos orificios que
pueden servir de agarraderas.
Fig. 7.7b) Asiento del motor
Al disco anterior de la voluta se soldar una pequea estructura de soporte formada
por esquineras de 50x50x5mm. Tambin tendr orificios que servirn de agarradera y
otros para las suspensiones.
Fig. 7.7c) Refuerzo y pie de la voluta
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7.8 Suspensin
Para evitar problemas de ruido y vibracin es fundamental emplear soportes
antivibratorios que sirvan de amortiguadores durante el funcionamiento de la mquina.
Para la eleccin de estos soportes se ha hecho uso del manual de clculo que
proporciona AMC Mecanocaucho en su catlogo comercial. Se han elegido soportes de
metal y caucho DSD, que al tener gran elasticidad radial y axial son muy apropiados
para las suspensiones de mquinas que presentan vibraciones de componentes vertical
y horizontal. Estn constituidos por dos armaduras planas unidas por una masa de
caucho en forma de cpula adherida a las mismas. La armadura superior es cilndrica
con un agujero pasante para la unin con la mquina, y la inferior es elptica, con dos
taladros para la unin al suelo.
Fig. 7.8a) Soporte antivibratorio
La masa total de la mquina es de unos 600kg, repartidos bastante uniformemente,
por lo que puede suponerse que la carga de cada soporte es de unos 100kg. Se
recomienda que la carga nominal de la suspensin est entre el 50 y el 75% de la
mxima de diseo, por lo que se opt por soportes DSD 150 de dureza 45. Con las
grficas dadas por Mecanocaucho en su catlogo, se obtuvo que para esta carga elsoporte elegido tiene una flecha de unos 6mm y una frecuencia natural de unos 75Hz
(equivalentes a 450rpm). Como la velocidad nominal de giro del ventilador es de unas
3000rpm, el porcentaje de atenuacin de vibraciones es de cerca del 98%, lo que
confirma que los soportes estn bien elegidos.
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Fig. 7.8b) Grficas de seleccin de soportes DSD
Fig. 7.8c) Grfica de atenuacin de vibraciones
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8 Procesos de fabricacin
La fabricacin se realiza de la siguiente forma:1. Corte de piezas en chapa
2. Plegado de piezas en chapa
3. Mecanizado de piezas
4. Soldadura de piezas
5. Decapado tras soldadura
6. Equilibrado del rodete
7. Montaje final
8.1 Corte de piezas en chapa
Las piezas a cortar en chapa de acero inoxidable hasta 10mm de espesor se cortan por
lser en la sociedad ALASER de Burdeos. Con el corte por lser se consigue una gran
precisin dimensional y muy buenos acabados a un precio aceptable para piezas que
no se fabrican en serie. Las piezas encargadas a ALASER fueron:
Discos delantero y trasero de la voluta
Disco de cierre de la voluta
Contorno de la voluta
Tolvas de aspiracin e impulsin
Discos delantero y trasero del rodete
labes del rodete
Asiento de la estructura soporte
Arandela de fijacin del rodete al eje motor
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Fig. 8.1a) y b) Piezas cortadas por lser suministradas por ALASER
Las mquinas de corte de ALASER son de control numrico, por lo que no hay que
mandarles ms que los contornos de las piezas en archivos DXF. Tambin mandamos
los planos para tener una referencia del pedido y para facilitar la fabricacin en caso de
dudas.
Las cartelas de rigidizacin del disco delantero se cortaron en AEIB con la mquina de
corte por plasma. Normalmente se habran mandado cortar a lser como las piezas
anteriores, ya que el acabado de los cortes en acero inoxidable con la mquina de
plasma no es muy bueno. Sin embargo como se ha indicado en el apartado 7.4, se
decidi aadir estos rigidizadores una vez comenzada la fabricacin del ventilador y
para no retrasar la fecha de entrega y dado que la funcin de la pieza no exiga un
acabado especialmente bueno se opt por cortar sobre la marcha con la mquina
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disponible. Para ello se cre el archivo DXF con el contorno de la pieza y se introdujo
en el programa ACTCUT junto con los parmetros de corte (material, dimensiones de
la chapa, espesor, nmero de piezas a cortar...). A partir de estos datos, el programa
dibuja automticamente el patrn de corte con el que se minimiza la cantidad de acero
sobrante y crea un archivo de control que se enva al taller.
Fig. 8.1c) Corte de los rigidizadores de la voluta con la mquina de corte por plasma
8.2 Plegado de piezas en chapa
Como los radios de curvatura del contorno de la voluta y la tolva de aspiracin eran
relativamente grandes, se pudo conseguir esta curvatura con una mquina formada
por un conjunto de rodillos Roll Rite.
Fig. 8.2a) Plegado del contorno de la voluta
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El asiento de la estructura soporte se pleg con la plegadora automtica AMADA, con
la que se puede plegar chapa de hasta 6mm con los tiles disponibles en AEIB. En esta
mquina slo es necesario posicionar la pieza e indicar el espesor de la pieza y el
ngulo deseado. Tambin se pleg aqu la tolva de impulsin.
8.3 Mecanizado de piezas
Con las piezas a mecanizar la situacin es parecida a la de las piezas de chapa. A pesar
de disponer de mquinas de corte en AEIB, los acabados conseguidos en sociedades
especializadas y los precios que stas ofrecen son ms interesantes, por lo que se opta
por encargar las piezas a empresas de este tipo. En este proyecto, la nica pieza amecanizar fue el cubo del rodete, que fue fabricado por la sociedad SOMEDEC de
Poitiers.
Fig. 8.3a) Cubo del rodete
Las bridas normalizadas se fabrican en serie y se pueden comprar a empresas
comercializadoras de productos de acero, igual que la tornillera. Estos elementos se
compraron a CHARRON.
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