Story Transcript
Diseño de ventiladores axiales de alto rendimiento para el BY-PASS de M-30
DISEÑO DE VENTILADORES AXIALES DE ALTO RENDIMIENTO PARA EL BY-PASS DE M-30
INTRODUCCIÓN Como parte de las instalaciones de los túneles, los sistemas de ventilación son elementos fundamentales con el principal objetivo de aportar aire al túnel, así como evacuar los humos que pudieran producirse en caso de un hipotético incendio. Por ello, al igual que es fundamental el manejo de los conocimientos de los sistemas de ventilación y su buena práctica, se ha de tener en cuenta el rango de aplicación de las máquinas que conforman dicho sistema. Este conocimiento nos ayudará a reducir los problemas y sus consecuencias desde el origen. Es verdad, que muchos de los problemas actuales no se daban en el pasado con tanta asiduidad, pero no podemos perder de vista que los niveles de confort y seguridad adoptados hoy día son tan importantes, que los volúmenes de aire necesarios para llevarlos a cabo, nos ha conducido a aumentar el número y tamaño de los ventiladores para cada sistema de ventilación. En caso de una situación de emergencia en un túnel, es vital tener un sistema fiable de ventilación que responda a las órdenes de control tan rápido como sea posible. Es esencial, por tanto, evitar que los ventiladores trabajen en régimen inestable. El fenómeno de bombeo no se tiene en cuenta generalmente en el diseño de los sistemas de ventilación por tratarse de un problema que se manifiesta en la máquina. Es importante, por consiguiente, el trabajo en conjunto con los proyectistas de los sistemas de ventilación con el fin de optimizar, no sólo el diseño de los ventiladores, sino que también el diseño del circuito de ventilación. Esta situación, la cual se produce más acentuadamente en la obra de los túneles de la M-30, tiene una repercusión mayor en el tramo del BY-PASS. Se pretende resaltar el efecto del bombeo en las dimensiones del sistema, tipo de ventilador, sistema de control, así como en el tiempo y tipo de arranque. Los distintos puntos de funcionamiento requeridos nos hicieron realizar un esfuerzo adicional desde el punto de vista del diseño con el fin de mantener los rendimientos aerodinámicos en valores altos con el principal objetivo de reducir la potencia instalada en el sistema. Indicaremos por tanto, que problemas se plantean en el diseño, así como las soluciones adoptadas para los ventiladores diseñados para los TÚNELES DE LA M-30, en concreto, para los ventiladores del BY-PASS.
VENTILACIÓN DEL BY-PASS La obra de la M-30, la podemos separar en 3 partes totalmente diferenciadas: 1. 2. 3.
Tramos del Río Soterramiento de la Avenida de Portugal By-Pass
Abordamos en este caso, el sistema de ventilación del By-Pass por lo particular de su concepción, tal y como veremos más adelante. El tramo denominado como BY-PASS, corresponde al tramo construido con tuneladora. Consta de dos tubo de aproximadamente 4,2 kilómetros, y en cada tubo, se dispone de dos conductos, uno para extracción, conectado al túnel mediante trampillas situadas en la parte superior del túnel, para la evacuación del aire viciado y los humos en caso de incendio, y otro de aire fresco, que a través de pequeñas boquillas situadas en ambos hastiales aportarán aire fresco al interior del túnel. Debido a la longitud del túnel, para hacer un dimensionamiento racional del sistema de ventilación, se ha sectorizado los tubos de manera que se dispondrá de 7 cantones por conducto, es decir, para cada tubo, tendremos 7 cantones superiores y otros 7 cantones inferiores. Cada cantón tendrá una longitud aproximada de 600m.
Innovaciones tecnológicas en las instalaciones de los Túneles de Madrid Calle 30 Madrid, 27 de febrero de 2007
1
Diseño de ventiladores axiales de alto rendimiento para el BY-PASS de M-30
El objetivo del sistema de ventilación será por tanto hacer llegar a cada cantón el aire necesario. Los ventiladores se agruparan en cuatro pozos. Salvo el pozo PV1 que está asociado a un solo cantón, el 2, el resto de pozos tendrán asociados dos cantones por conducto y por túnel. Por consiguiente en cada pozo habrá ocho ventiladores: Cuatro de inyección de aire fresco y cuatro de extracción de aire. PV4
DISTRIBUCIÓN DE POZOS Y CANTONES PV3
PV2
C8
PV1
C7 C6 C5 C4 C3 C2
Figura 1
La configuración de cada pozo será como sigue: Con línea azul se representa los circuitos de impulsión de aire y en rojo los de extracción. El recorrido del aire entre los ventiladores y los cantones se realiza por un camino independiente para cada ventilador, pero desde los ventiladores hasta la calle, se llegó a plantear inicialmente un circuito común para 4 ventiladores, aunque por la razón que se explicará más adelante, estos circuitos serán compartidos por sólo dos ventiladores. ATENUADORES ACÚSTICOS
FILTROS
Ventilador de Impulsión
Ventilador de Extracción
Figura 2 En el circuito entre ventiladores y la calle, y para el circuito de extracción, se tienen los atenuadores acústicos y los filtros de partículas, por lo que la mayor parte de los elementos resistentes están localizados ahí.
Innovaciones tecnológicas en las instalaciones de los Túneles de Madrid Calle 30 Madrid, 27 de febrero de 2007
2
Diseño de ventiladores axiales de alto rendimiento para el BY-PASS de M-30
VENTILADOR. TRABAJO EN PARALELO. FUNCIONAMIENTO EN BOMBEO Un ventilador podemos caracterizarlo por su curva, que es el lugar geométrico de los puntos de funcionamiento del mismo. Para cada ángulo de regulación de los álabes tendremos una curva distinta. El punto de corte de la curva del ventilador con la resistencia del circuito es el punto de funcionamiento del ventilador, (Po,Qo). Si la resistencia del circuito es más baja, el punto de funcionamiento se desplaza hacia caudales mayores, (ver gráfico 3), pero si la resistencia es muy elevada un ventilador trabajará en régimen inestable (ver gráfico 1), es decir en bombeo. Este fenómeno se evita ya en fase de diseño calculando un tipo de álabe que defina una curva del ventilador, tal que el corte con la curva resistente esté fuera de la zona inestable del ventilador. Resistencia PRESIÓN
Zona inestable del ventilador
PRESIÓN
PRESIÓN
Zona inestable del ventilador Resistencia
Po
Po
Po Curva Ventilador
Zona inestable del ventilador
Curva Ventilador
Curva Ventilador
Resistencia
CAUDAL
Qo Gráfico 1
Figura 3
Qo Gráfico 2
CAUDAL
Qo
CAUDAL
Gráfico 3
Fenómeno de bombeo El flujo de aire movilizado por un ventilador, cuando éste pasa a través de sus álabes, es deflectado con cierto ángulo. Si cambiamos la orientación de los álabes, podemos aumentar o disminuir la cantidad de aire que es deflectada. Si progresivamente incrementamos el ángulo de ataque de los álabes, este incrementará la cantidad de deflexión. Es este cambio de dirección y velocidades relativas lo que permite que el ventilador genere presión. Si el ángulo de ataque fuera demasiado elevado, el aire no llegará a recorrer toda la superficie del álabe de una manera uniforme, produciéndose un fenómeno de cavitación, llamado en el ámbito de la ventilación fenómeno de bombeo. Si un ventilador opera en bombeo, es debido a que el caudal es demasiado bajo para el ángulo de ataque de los álabes regulado es ese momento. Este caudal pudiera haber disminuido debido a un incremento de resistencia en el circuito asociado a ese sistema, produciéndose un incremento de presión, ya que el punto de funcionamiento se desplaza a lo largo de la curva de funcionamiento del ventilador. Un ventilador operando cerca del punto de bombeo tendrá un severo incremento de ruido. En algunos ventiladores sonará casi como si el rodete estuviese siendo impactado por un objeto sólido (“hammering”). Un ventilador trabajando continuamente en bombeo puede provocar una fatiga estructural de los álabes. Esto es especialmente cierto para ventiladores axiales que tienen álabes largos, como es el caso de los ventiladores que entregan un alto caudal a presiones moderadas. Por tanto, el trabajo del ventilador en bombeo debido a la resistencia del circuito, se puede evitar desde el origen definiendo apropiadamente la configuración del álabe, pero hemos de tener muy en cuenta, que además, un ventilador puede estar en bombeo por más motivos: • •
Durante el arranque de un ventilador. Durante el arranque de dos ventiladores en paralelo.
Innovaciones tecnológicas en las instalaciones de los Túneles de Madrid Calle 30 Madrid, 27 de febrero de 2007
3
Diseño de ventiladores axiales de alto rendimiento para el BY-PASS de M-30
Trabajo en paralelo En un sistema de trabajo de dos ventiladores en paralelo, cada ventilador es concebido para la mitad del caudal de diseño. Zona de inestabilidad
Resistencia del sistema
PORCENTAJE DE PRESIÓN ESTÁTICA
100
PT Curva de 2 ventiladores
O O
Q1 Q2
CAUDAL
QT
Figura 4
Cuando dos ventiladores trabajan en paralelo, forman un sistema que estará caracterizado por la curva de 2 ventiladores en paralelo. La resistencia del circuito corta la curva del sistema en un punto (PT,QT). El punto de funcionamiento de cada ventilador, como se puede ver en el gráfico anterior, corresponde a (PT,Q1=Q2), tal que Q1+Q2= QT para el caso de dos ventiladores idénticos. Si sólo uno de los ventiladores funcionase, su punto de funcionamiento será distinto, con una presión más baja y con un caudal de aire mayor. Zona de inestabilidad
Resistencia del sistema
PORCENTAJE DE PRESIÓN ESTÁTICA
100
Curva de 2 ventiladores
PT
O O
QT
Figura 5
CAUDAL
Si en ese momento hay que arrancar un segundo ventilador, para caudal cero de éste, ya se parte de una presión de valor PT, la cual está generando el ventilador ya en funcionamiento, por tanto la situación será más complicada. Este será el caso de los sistemas de ventilación de la M-30, pero el BY-PASS, a diferencia de los demás tramos, tiene la particularidad de que cada cantón en un momento determinado puede tener una demanda distinta de caudal y que además serán 4 ventiladores los que entrarán en juego.
Innovaciones tecnológicas en las instalaciones de los Túneles de Madrid Calle 30 Madrid, 27 de febrero de 2007
4
Diseño de ventiladores axiales de alto rendimiento para el BY-PASS de M-30
Arranque de ventiladores en paralelo Resistencia del sistema
Puntos de funcionamiento en el arranque del 2º ventilador
PORCENTAJE DE PRESIÓN ESTÁTICA
100
PT(2) Curva de 2 ventiladores
PT(1)
O O
Q1(2)
Zona de inestabilidad durante el arranque.
QT(1)
CAUDAL
QT(2)
Figura 6
En el gráfico anterior, se ve la evolución durante el arranque del segundo ventilador, una vez ya en funcionamiento el primero. Hasta cierta velocidad de rotación la curva del 2º ventilador estará por debajo de la presión PT(1). A partir de cierta velocidad, representada por la curva verde, el ventilador entra en zona de estabilidad y la evolución teórica de los puntos de funcionamiento tiende hasta (PT(2),Q1(2)). Este punto es el que corresponde al régimen permanente, en el cual el sistema moviliza un caudal QT(2).
100%
100%
PT(2
PT(2
PT(1
PT(1
Teórica
O O
Zona de inestabilidad durante el arranque.
Real
O
Q1(2)
CAUDAL
Figura 7
O
Q1(2)
CAUDAL
Zona de inestabilidad durante el arranque.
En las curvas anteriores, donde se representa la evolución de los puntos de funcionamiento, podemos distinguir un fenómeno que se dará con toda seguridad, y es que en el momento que el segundo ventilador arranca, tiene una diferencia de presión de partida desfavorable de valor PT(1) que provocará en los momento iniciales una recirculación de aire del primer ventilador, por lo que la presión PT(1) tenderá a disminuir hasta que el fenómeno de recirculación cese. Dependiendo del tipo de inestabilidad de la curva, puede que haya una recirculación intermitentemente, de forma pulsatoria. A partir del momento que finaliza la recirculación comenzará a incrementarse la presión hasta el momento en que llegue al régimen permanente.
Innovaciones tecnológicas en las instalaciones de los Túneles de Madrid Calle 30 Madrid, 27 de febrero de 2007
5
Diseño de ventiladores axiales de alto rendimiento para el BY-PASS de M-30
Arranque de un ventilador Generalmente se sabe que el funcionamiento de un ventilador en bombeo debe de evitarse. Un ventilador trabaja en bombeo si el caudal volumétrico real está por debajo del “Caudal de bombeo”. Durante este funcionamiento en régimen inestable, pueden aparecer altas cargas dinámicas en los álabes, así como un aumento de los niveles de vibración en el ventilador. Durante el arranque, un ventilador axial trabajará en bombeo durante un periodo corto, sin embargo este periodo del bombeo aumenta significantemente si ha de acelerarse una masa grande de aire, con una inercia importante, sobre todo cuando se tiene un circuito muy resistente.
P [Pa]
Qbombeo
Q [m³/s]
Figura 8
En el caso de estudio considerado, se observa que hasta que no transcurre un tiempo de aproximadamente 30 segundos, el ventilador no sale del bombeo. Hasta entonces, el caudal que mueve el ventilador no se corresponde con el teórico que debería dar el ventilador a la velocidad de rotación correspondiente debido, entre otras cosas, a que se produce una diferencia entre la presión del sistema y la de ventilador, que será la que acelerará la masa del aire a través del circuito.
P ventilador n
Q [m³/s]
P [Pa] / n [rpm]
Q
P bombeo
t [s]
Figura 9
Como consecuencia, en el arranque, cualquier protección del ventilador que pueda estar afectada por este fenómeno deberá ser desconectado, al menos hasta que se termine el arranque, donde pasará del régimen transitorio al régimen permanente. Principalmente se verán afectados cualquier sistema de detección de vibraciones, así como los sistemas antibombeo, que son indicados para proteger el ventilador ya en régimen permanente. Como se puede ver en la figura siguiente, en el ejemplo que estamos tratando, cuando el ventilador llega a su velocidad de funcionamiento, el caudal de aire comienza a estabilizar. El ventilador del ejemplo es un ventilador axial ZVN 1-25-500/6 de 2500 mm de diámetro y 500kW de potencia instalada, por lo que los resultados nos sirven perfectamente para sacar conclusiones aplicables a los ventiladores del BY-PASS. Una vez que pasa la fase de funcionamiento inestable, es decir el bombeo, el ventilador comienza a tener ya más presión disponible, ya que ha acelerado la masa de aire, con lo que el caudal que moviliza el Innovaciones tecnológicas en las instalaciones de los Túneles de Madrid Calle 30 Madrid, 27 de febrero de 2007
6
Diseño de ventiladores axiales de alto rendimiento para el BY-PASS de M-30
ventilador se incrementa con más celeridad. Es a partir de ese momento cuando se empieza a mantener una proporcionalidad entre la velocidad de rotación del rodete y del caudal que está moviendo. Este fenómeno descrito anteriormente es referido a un solo ventilador en funcionamiento. Arranque de dos ventiladores en paralelo Para dos ventiladores idénticos, con arranque simultaneo, ocurre que siempre uno de los dos ventiladores tiene un bombeo más prolongado. Para el ventilador que va en mejores condiciones, su bombeo en el arranque podría superar los 40 s (frente a 30s de un solo ventilador), pero el otro ventilador tiene un tiempo de bombeo superior, que podría pasar de los 55s, dependiendo de la resistencia del circuito. Este bombeo se da en el transitorio del ventilador, en el arranque, y cuando alcanza el régimen permanente, los dos ventiladores han de tener el mismo punto de funcionamiento.
P ventilador n
Q [m³/s]
P [Pa] / n [rpm]
Q P bombeo
Arranque simultáneo: Ventilador 1
Figura 10
t [s]
En el gráfico siguiente se puede observar ausencia de caudal hasta poco después de los30 segundos, así como también entre los 45 y 50 segundos. El motivo es que el sistema de medición de caudal empleado no medía valores negativos de caudal, es decir, el primer ventilador estaba provocando un recirculación de aire, que cesó aproximadamente cuando alcanza las 750 rpm del segundo ventilador.
P ventilador n
Q [m³/s]
P [Pa] / n [rpm]
Q P bombeo
Arranque simultáneo: Ventilador 2
Figura 11
t [s]
Innovaciones tecnológicas en las instalaciones de los Túneles de Madrid Calle 30 Madrid, 27 de febrero de 2007
7
Diseño de ventiladores axiales de alto rendimiento para el BY-PASS de M-30
En el caso de que el segundo ventilador se ponga en marcha ya con el primero funcionando, éste tendrá un arranque en peores condiciones, prolongándose el bombeo incluso hasta 72s.
P ventilador
n
Q [m³/s]
P [Pa] / n [rpm]
Q P bombeo
Arranque diferido: Ventilador 2
Figura 12
t [s]
Como se puede apreciar la recirculación es más importante y el fenómeno de bombeo más prolongado. En muchos casos un ventilador si entra en régimen inestable, puede ocurrir, como es bien conocido que no recupere y se mantenga en bombeo. No es el caso de ejemplo que estamos manejando, pero si acoplásemos a estos dos ventiladores otros dos más trabajando en paralelo, se puede deducir con facilidad, que el fenómeno se agudizará, más aún si los puntos de funcionamiento en régimen permanente son distintos. El problema ya no sería solamente en el arranque, sino que en el funcionamiento normal, a medida que los ventiladores vayan ajustando su régimen según las necesidades de aire en el túnel, estarán gran parte del tiempo en el transitorio. En la gráfica siguiente se pone un ejemplo de 4 ventiladores similares trabajando en paralelo y con cuatro puntos de funcionamiento distintos. Cuando el sistema encuentre el equilibrio, puesto que el sistema tendrá un único punto de funcionamiento, cada ventilador se ajustará igualando las presiones. 2500
Curva de 4 ventiladores en paralelo Presión (Pa)
2000
Puntos de diseño 1500 1000 500 3
caudal (m /s) 0 0.00
50.00
2500
150.00
Puntos de funcionamiento después de equilibrio
2000 Presión (Pa)
100.00
200.00
250.00
Curva de 4 ventiladores en paralelo
1500 1000 500 3
caudal (m /s) 0 0.00
50.00
100.00
150.00
200.00
250.00
Figura 13 Innovaciones tecnológicas en las instalaciones de los Túneles de Madrid Calle 30 Madrid, 27 de febrero de 2007
8
Diseño de ventiladores axiales de alto rendimiento para el BY-PASS de M-30
Si a dos de los cuatro ventiladores se les demandase poco aire, durante ese tiempo los otros dos ventiladores podrían estar trabajando por por encima de la presión de los anteriores y meterlos en la zona de inestabilidad. Esto es cierto, ya que en el lado del circuito que tienen en común la presión que existe será única y cuando alcance el equilibrio, si es que lo alcanzase, se reajustarán los puntos de funcionamiento de los cuatro ventiladores. Esto es un efecto transitorio, pero puede ocurrir en cada arranque y en los cambios de régimen importantes de los equipos, sin perder de vista que el número de arranques o de cambio de régimen va a depender de las condiciones de tráfico en cada momento. Si las condiciones de arranque no son controladas, puede que el segundo ventilador no salga del bombeo. Lo descrito anteriormente se refiere a dos ventiladores similares trabajando en paralelo, de condiciones aerodinámicas idénticas y trabajando a la misma velocidad de rotación, en cambio, en nuestro caso del By-Pass, el problema es mucho más complicado, ya que se trata de ventiladores con puntos de funcionamiento distintos, que en régimen normal o de servicio trabajan a distintas velocidades de rotación con ángulos de calage diferentes. El transitorio además será aún más difícil de controlar si pretendemos hacer trabajar 4 ventiladores en paralelo, parcialmente en paralelo, trabajando en diferentes condiciones y que además en caso de estabilizar el arranque, tendremos transitorios en todo momento en la medida que se ajustan las necesidades de aire en función del tráfico de vehículos en cada momento. En cada pozo, en especial los pozos PV2, PV3 y PV4, la salida del aire de los ventiladores de extracción tenían en común la parte del circuito que los comunicaba con la calle. Esta parte del circuito es la parte en la que se tiene los filtros y los atenuadores acústicos, y que la pérdida de carga para el caudal de diseño solo en esta parte puede ser superior a 1000 Pa. Una situación probable que se dará a diario será que en ciertas horas del día, habrá más circulación de vehículos en un sentido y menos en el otro. Por tanto, en estas circunstancias, dos ventiladores trabajan a bajo régimen y los otros dos están a plena carga, incluso estos últimos no trabajará en el mismo punto de funcionamiento, ya que el caudal para cada cantón, aunque tengamos el mismo tráfico puede ser distinto ya que va a depender de la longitud del tramo de túnel que cubre cada cantón y de su pendiente. Lo mismo ocurre con los que están trabajando a bajo régimen. SOLUCIONES ADOPTADAS PARA EL BOMBEO Teniendo en cuenta los conceptos anteriores, cabe pensar que el trabajo en paralelo de 4 ventiladores no es recomendable con las características que se dan en el BY-PASS. Las probabilidades de que los ventiladores trabajen en régimen inestable son altas. Se ha visto que el fenómeno de bombeo puede aparecer en dos situaciones • •
En el arranque Durante el funcionamiento.
Los ventiladores para evitar su deterioro debido al trabajo en régimen inestable, están dotados de una sonda petermann, que en conjunto con un presostato adecuado forman el sistema antibombeo. Si entra en bombeo el ventilador, esta protección lo detectará con el consiguiente paro del ventilador. Esta protección es necesaria sobretodo cuando por motivos extraordinarios la resistencia del circuito se incrementa por encima de los valores de diseño evitando la rotura de los álabes. Soluciones: 1.
Puesto que no sería lógico que este sistema al detectar el bombeo en arranque parase el ventilador, en esos momentos estará desactivado.
2.
Como se ha visto en las gráficas de los cuatro ventiladores en paralelo, para evitar que cuando el sistema alcance el equilibrio, los puntos de funcionamiento no tengan amplias variaciones, se han independizado los ventiladores dos a dos, de manera que el sistema es mucho más fácil de
Innovaciones tecnológicas en las instalaciones de los Túneles de Madrid Calle 30 Madrid, 27 de febrero de 2007
9
Diseño de ventiladores axiales de alto rendimiento para el BY-PASS de M-30
controlar. Está claro que las necesidades de aire para cada tubo no tienen por que ser parecidas, por lo que se agrupan los ventiladores según cantones contiguos. 3.
Para evitar los transitorios debidos al cambio de régimen de uno de los dos ventiladores, y puesto que el caudal que han de mover es parecido, se ha impuesto que tengan el mismo caudal de diseño. Como consecuencia, el circuito que tienen en común siempre soportará la misma presión, por lo que no tienen por que buscar el equilibrio.
DISEÑO DE LOS VENTILADORES Cada ventilador de extracción ha de conseguir 3 puntos de funcionamiento con la misma regulación de álabe, ya que los ventiladores son de regulación de álabe a ventilador parado. Estos 3 puntos se han de conseguir con un rendimiento aerodinámico óptimo con el principal objetivo de reducir la potencia instalada. Problema Inicialmente, se trató de unificar modelos de ventiladores, de manera que se simplificaba la fabricación de los mismos, pero esta unificación trajo como consecuencia un incremento sustancial de la potencia de los motores a instalar, de hecho en algunos casos se superaban los 710 kW. Mantener unos puntos en la zona de máximo rendimiento implica que otros puntos estén fuera de esa zona. Solución Utilización del variador de frecuencia y diseño específico de los rodetes de los ventiladores. •
Variador de frecuencia. Ajustando la velocidad de rotación del ventilador podemos llegar al caudal necesario dentro del rango de diseño del ventilador.
•
Diseño apropiado del ventilador con el objetivo de mantener un rendimiento alto durante el funcionamiento, y así reducir la potencia de diseño del ventilador. Si se mantiene el mismo diseño para todos, solo unos pocos puntos de funcionamiento estarán en el área de máximo rendimiento.
Los ventiladores del BY-PASS se agrupan en diámetros de rodete, 2500mm y 2800mm, salvo la excepción en el pozo 8, que lleva dos ventiladores de diámetro 2000mmø por tener un punto de funcionamiento bastante más bajo que el resto. Además respecto a su instalación los podemos clasificar como de disposición horizontal y de disposición vertical. A continuación mostramos una tabla resumen de las características de los equipos definidos para este proyecto: Ventiladores de Impulsión MODELO
CURVA
ZVN 25-400/6 ZVN 25-400/6 ZVN 25-200/6 ZVN 25-200/6 ZVN 28-250/8 ZVN 28-500/8 ZVN 20-200/6 ZVN 20-200/6 ZVN 25-560/6 ZVN 25-560/6 ZVN 25-500/6 ZVN 25-500/6 ZVN 28-315/8 ZVN 28-315/8
3291,C,01 3291,C,01 3281-15 3281-15 3290-14 3290-14(Z16) 72158-DT001(Z10) 72158-DT001(Z10) 3291,C,01 3291,C,01 3291,C,01 3291,C,01 3290-14(Z16) 3290-14(Z16)
PL. ALAB. Nº AL. 2147,01,M 2147,01,M 2113,01,M 2113,01,M 2115,01,M 2115,01,M 2132,01,M 2132,01,M 2147,01,M 2147,01,M 2147,01,M 2147,01,M 2115,01,M 2115,01,M
8 8 6 6 8 16 10 10 8 8 8 8 16 16
PL. DIR.
Nº DIR
Q
P
q
p
POZO
2146,03,04 2146,03,04 2112,03,04 2112,03,04 2114,03,04 2114,03,04 2131,03,04 2131,03,04 2146,03,04 2146,03,04 2146,03,04 2146,03,04 2114,03,04 2114,03,04
11 11 7 7 11 11 7 7 11 11 11 11 11 11
166 166 116 116 152 203 105 32 178 178 170 170 140 140
1638 1658 1061 987 1093 1700 1156 279 2147 2334 2003 2005 1176 1644
-
-
5D 6D 5I 6I 2D 2I 7I 8I 3D 4D 3I 4I 7D 8D
Innovaciones tecnológicas en las instalaciones de los Túneles de Madrid Calle 30 Madrid, 27 de febrero de 2007
10
Diseño de ventiladores axiales de alto rendimiento para el BY-PASS de M-30
Ventiladores de Extracción MODELO
CURVA
PL. ALAB. Nº AL.
PL. DIR.
Nº DIR
Q
P
ZVN 28-450/8
72158-DT008(Z10) 2180,01,M
10
2179,3,04
11
140
1606
ZVN 28-450/8
72158-DT008(Z10) 2180,01,M
10
2179,03,04
11
140
1795
ZVN 28-560/8
72158-DT008(Z10) 2180,01,M
10
2179,03,04
11
152
1856
ZVN 28-630/8
72158-DT008(Z16) 2180,01,M
16
2179,03,04
11
203
2226
ZVN 25-630/6
3291,C,01
2147,01,M
12
2146,03,04
11
166
2585
ZVN 25-630/6
3291,C,01
2147,01,M
12
2146,03,04
11
166
2570
ZVN 25-560/6
3291,C,01
2147,01,M
14
2146,03,04
11
116
1766
ZVN 25-560/6
3291,C,01
2147,01,M
14
2146,03,04
11
116
1766
ZVN 28-630/8
72158-DT008(Z16) 2180,01,M
16
2179,03,04
11
105
1618
ZVN 28-630/8
72158-DT008(Z16) 2180,01,M
16
2179,03,04
11
105
1392
ZVN 25-630/6
3291,C,01
2147,01,M
12
2146,03,04
11
170
2656
ZVN 25-630/6
3291,C,01
2147,01,M
12
2146,03,04
11
170
2611
ZVN 25-630/6
3291,C,01
2147,01,M
12
2146,03,04
11
170
2677
ZVN 25-630/6
3291,C,01
2147,01,M
12
2146,03,04
11
170
2624
q
p
170 170 170 170 170 170 170 170 170 170 170 170 170 170 170 170 170 170 170 170 170 170 170 170 170 170 170 170
1824 1794 1868 1651 1850 2239 1531 2608 2134 2061 2128 2034 2187 2113 2187 2113 2402 1963 1640 1785 2290 2159 2239 2156 2359 2233 2313 2231
POZO 7D 8D 2D 2I 5D 6D 5I 6I 7I 8I 3D 4D 3I 4I
Como se puede ver los ventiladores de extracción tienen 3 puntos de funcionamiento. Como norma general, el ángulo de regulación de cada ventilador va calado para el modo incendio, y el resto de los puntos, una vez ajustada la resistencia del nuevo escenario, se ajustan mediante la variación de velocidad. Como se puede observar la variación de presiones y caudales es importante. Puesto que se estableció en 630kW el límite de la potencia instalada de cada ventilador, no fue posible mantener el mismo modelo de ventilador. Se optó por mantener el diámetro exterior del ventilador y trabajando con el diseño aerodinámico de los álabes se configuraron varios modelos de rodetes. Los motores además los tenemos de dos tipos, atendiendo a su velocidad de rotación, serán 6 polos (1000rpm) y 8 polos (750rpm).Los ventiladores de impulsión tienen un rango de potencias que va desde los 200KW hasta los 500KW, y los de extracción entre los 450 KW hasta los 630KW, siendo la mayoría de 560KW y 630KW. Como se puede observar, estamos hablando de potencias importantes, por lo que el funcionamiento de los equipos demandará un consumo importante, siendo ésta razón de más, para optimizar los rendimientos de los ventiladores.
Innovaciones tecnológicas en las instalaciones de los Túneles de Madrid Calle 30 Madrid, 27 de febrero de 2007
11
Diseño de ventiladores axiales de alto rendimiento para el BY-PASS de M-30
Los parámetros aerodinámicos de diseño con los que se ha jugado han sido: El diámetro del cubo del ventilador Para un mismo diámetro de rodete, cuanto mayor sea el diámetro del cubo mayor presión generará el ventilador. La relación-ratio entre estos dos diámetros r=d/D, es un parámetro principal de diseño, y para este proyecto se han manejado varios ratios distintos para un mismo diámetro de ventilador. Aumentando el ratio conseguimos aumentar la presión del ventilador, pero el caudal a que moverá será inferior.
Diámetro de cubo (d)
Álabe o paleta
Diámetro de rodete (D) Cubo del ventilador
Figura 14 El número de álabes: El número de álabes es fundamental. Un mayor número de álabes implicará un aumento en la presión y un leve aumento en caudal. Velocidad de rotación del motor: Con el resto de parámetros fijados, en función de la velocidad y a medida que se incrementa ésta, conseguimos más presión y más caudal. Este es un parámetro que se controla un vez diseñado el rodete a través de un variador de frecuencia. El caudal se incrementa proporcionalmente a la velocidad de rotación y la presión al cuadrado:
Q2 = Q1 ⋅
u2 u1
u22 ΔP2 = ΔP1 ⋅ 2 u1 Donde u es la velocidad de rotación El diseño del álabe: El diseño del álabe, es el proceso más complejo de todos. En función del perfil del álabe podemos tener ventiladores de más presión o de menos, unidireccionales o reversibles 100%. En este parámetro también incide en el rendimiento del ventilador.
Innovaciones tecnológicas en las instalaciones de los Túneles de Madrid Calle 30 Madrid, 27 de febrero de 2007
12
Diseño de ventiladores axiales de alto rendimiento para el BY-PASS de M-30
Vemos a continuación los gráficos de los modelos desarrollados para los ventiladores de 2800mmø para el BY-PASS.
Figura 15
Figura 16
Figura 17
Innovaciones tecnológicas en las instalaciones de los Túneles de Madrid Calle 30 Madrid, 27 de febrero de 2007
13
Diseño de ventiladores axiales de alto rendimiento para el BY-PASS de M-30
Figura 18
Figura 19
Innovaciones tecnológicas en las instalaciones de los Túneles de Madrid Calle 30 Madrid, 27 de febrero de 2007
14
Diseño de ventiladores axiales de alto rendimiento para el BY-PASS de M-30
Figura 20
Figura 21
Figura 22 Se puede ver en las figuras anteriores, que se trabajaron diferentes configuraciones de ventilador, donde se han trabajado con dos tipos de cubos, de 1400mm y de 1920mm. Los ventiladores de mayor presión los hemos conseguido con el cubo de 1920mm. Las dos variantes se consiguen con 10 y 16 paletas y con un alabe distinto respectivamente. El resto de ventiladores de 2800mm de diámetro, con cubo de 1400mm, se han configurado para alcanzar los puntos de funcionamiento requeridos combinando el número de álabes, (desde 6 hasta 16) y el tipo de álabe, con otros dos modelos distintos.
Innovaciones tecnológicas en las instalaciones de los Túneles de Madrid Calle 30 Madrid, 27 de febrero de 2007
15
Diseño de ventiladores axiales de alto rendimiento para el BY-PASS de M-30
CONCLUSION Para un buen diseño del sistema de ventilación es necesario conocer tanto la metodología de cálculo, finalmente se “traduce” a uno o varios puntos de funcionamiento para los ventiladores, como las condiciones a las que va estar sometido un ventilador. Se ha visto la diferencia entre trabajar con un ventilador o con varios en paralelo, y los problemas que se podrían dar y que no se pueden perder de vista, ya que si no se tiene una visión de conjunto del sistema, no se puede hacer trabajar con éxito los ventiladores. La versatilidad que dan actualmente los variadores de frecuencia, permiten una regulación más fina de los equipos para ajustarlos a la demanda en cada momento, por lo que se considera un elemento complementario fundamental. El conocimiento del fenómeno de bombeo, si es bien entendido, minimiza sus consecuencias negativas. La utilización de la sonda petermann nos sirve para evitar daños en el ventilador debido a una resistencia excesiva del circuito de ventilación. El conocimiento del transitorio del arranque o del cambio de régimen de ventiladores en paralelo, evita problemas “a posteriori” en el conjunto del sistema de ventilación, garantizando el correcto funcionamiento del mismo. Finalmente, la necesidad de utilizar sistemas cada vez más eficientes, induce a la mejora de los diseños de los ventiladores minimizado el consumo energético y abaratando las instalaciones sin renunciar a la seguridad.
Innovaciones tecnológicas en las instalaciones de los Túneles de Madrid Calle 30 Madrid, 27 de febrero de 2007
16