anÁlisis, pruebas y evaluaciÓn del rendimiento de un
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ANÁLISIS, PRUEBAS Y EVALUACIÓN DEL RENDIMIENTO DE UN VENTILADOR COMERCIAL
CIRCULADOR DE AIRE
ALEJANDRO GARCÍA CASTILLO
UNIVERSIDAD DE LOS ANDES FACULTAD DE INGENIERÍA
DEPARTAMENTO DE INGENIERÍA MECÁNICA BOGOTÁ D. C.
ENERO DE 2006
IM-2005-II-14
II
ANÁLISIS, PRUEBAS Y EVALUACIÓN DEL RENDIMIENTO DE UN VENTILADOR COMERCIAL
CIRCULADOR DE AIRE
ALEJANDRO GARCÍA CASTILLO
Proyecto de Grado para optar por el título de
Ingeniero Mecánico
Asesor
ÁLVARO ENRIQUE PINILLA SEPÚLVEDA
Ingeniero Mecánico, M.Sc., Ph.D.
UNIVERSIDAD DE LOS ANDES FACULTAD DE INGENIERÍA
DEPARTAMENTO DE INGENIERÍA MECÁNICA BOGOTÁ D. C.
ENERO DE 2006
IM-2005-II-14
III
Declaro que soy el único autor de la presente tesis.
Autorizo a la Universidad de los Andes para que ésta tesis sea prestada a otras
instituciones o personas para propósitos académicos solamente.
Firma
También autorizo a la Universidad de los Andes para que este documento sea
fotocopiado en su totalidad o en parte por otras instituciones o personas con
fines académicos únicamente.
Firma
IM-2005-II-14
IV
NOTA DE ACEPTACIÓN:
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ASESOR
Bogotá D. C.; Enero de 2006
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V
Bogotá D.C.; Enero de 2006 Doctor LUIS MARIO MATEUS Director Departamento de Ingeniería Mecánica Universidad de los Andes Ciudad Estimado Doctor
Por medio de la presente someto a su consideración el proyecto de grado
“ANÁLISIS, PRUEBAS Y EVALUACIÓN DEL RENDIMIENTO DE UN
VENTILADOR COMERCIAL CIRCULADOR DE AIRE”, elaborado por Alejandro
García Castillo como requisito para optar al título de Ingeniero Mecánico.
Atentamente, ALVARO ENRIQUE PINILLA SEPULVEDA Asesor
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VI
Bogotá D.C.; Enero de 2006
Doctor ALVARO ENRIQUE PINILLA SEPULVEDA Profesor Departamento de Ingeniería Mecánica Universidad de los Andes Ciudad Apreciado Doctor
Por medio de la presente someto a su consideración el proyecto de grado
“ANÁLISIS, PRUEBAS Y EVALUACIÓN DEL RENDIMIENTO DE UN
VENTILADOR COMERCIAL CIRCULADOR DE AIRE”, elaborado por Alejandro
García Castillo como requisito para optar al título de Ingeniero Mecánico.
Atentamente, ALEJANDRO GARCÍA CASTILLO Cod. 199812946
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VII
AGRADECIMIENTOS
Quisiera agradecerle al ingeniero Álvaro Pinilla la asesoría brindada para llevar a cabo este proyecto, a los ingenieros Tomás Uribe y Oscar Delgado por toda su colaboración, a Carlos Córdoba por sus comentarios, al personal del laboratorio de ingeniería mecánica y a todos los que en algún momento estuvieron colaborándome.
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VIII
TABLA DE CONTENIDOS
AGRADECIMIENTOS …………………………… VII TABLA DE CONTENIDOS …………………………… VIII
LISTA DE TABLAS …………………………… X
LISTA DE FIGURAS …………………………… XI
LISTA DE FOTOGRAFÍAS …………………………… XII INTRODUCCIÓN …………………………… XIII
1. OBJETIVO …………………………… 14
2. MARCO TEÓRICO …………………………… 15
2.1. Aerodinámica …………………………… 15
2.1.1. Fuerzas aerodinámicas …………………………… 16
2.1.2. Ángulo de ataque …………………………… 17
2.2. Hélices …………………………… 18
3. RENDIMIENTO …………………………… 19
3.1. Eficiencia aerodinámica …………………………… 19
3.2. Eficiencia del motor …………………………… 20
3.3. Eficiencia global …………………………… 20
3.4. Caudal …………………………… 21
4. VENTILADOR …………………………… 22
4.1. Características …………………………… 23
4.2. Geometría de la hélice …………………………… 23
4.2.1. Geometría del aspa …………………………… 23
4.2.2. Geometría del cubo …………………………… 25
5. BANCO DE PRUEBAS …………………………… 26
5.1. Diseño …………………………… 26
5.1.1. La base …………………………… 26
5.1.2. La plataforma …………………………… 27
5.1.3. Soporte del ventilador …………………………… 28
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IX
5.1.4. Ensamble …………………………… 28
5.2. Construcción …………………………… 29
6. PRUEBAS EN EL BANCO …………………………… 30
6.1. Obtención de datos …………………………… 30
6.1.1. El estroboscopio …………………………… 30
6.1.2. El tubo de pitot …………………………… 30
6.1.3. El torque …………………………… 31
6.1.4. El resorte …………………………… 31
6.1.5. Voltaje y corriente …………………………… 32
7. RESULTADOS PRUEBAS
VENTILADOR …………………………… 34
8. VENTILADORES EN EL
MERCADO …………………………… 36
9. CAMBIOS AL CUBO …………………………… 37
9.1. Nuevos cubos …………………………… 37
10. RESULTADOS NUEVOS CUBOS …………………………… 39
10.1. Cubo a 28.4° aspa a 60° …………………………… 39
10.2. Cubo a 13.4° aspa a 45° …………………………… 40
10.3. Cubo a 0° aspa a 31.6° …………………………… 41
11. ANÁLISIS DE RESULTADOS …………………………… 43
12. CONCLUSIONES …………………………… 44
13. COMENTARIOS …………………………… 45
14. BIBLIOGRAFÍA …………………………… 46
15. ANEXOS …………………………… 47
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X
LISTA DE TABLAS
Tabla No. 1 Mediciones aspa 24 Tabla No. 2 Calibración resorte 31
Tabla No. 3 Resultados aspa a 36° 35
Tabla No. 4 Especificaciones de ventiladores comerciales 36
Tabla No. 5 Resultados aspa a 60° 39 Tabla No. 6 Resultados aspa a 45° 40
Tabla No. 7 Resultados aspa a 31.6° 41
Tabla No. 8 Resultados de caudal y potencia 42
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XI
LISTA DE FIGURAS
Figura No. 1 Terminología del perfil 15 Figura No. 2 Fuerzas aerodinámicas 16
Figura No. 3 Ángulo de ataque ó incidencia 17
Figura No. 4 Partes de una hélice 18
Figura No. 5 Mediciones de los ángulos, cuerdas y combaduras 25 Figura No. 6 Cubo 25
Figura No. 7 Base del banco de pruebas 27
Figura No. 8 Plataforma del banco de pruebas 27 Figura No. 9 Soporte del ventilador para el banco de pruebas 28
Figura No. 10 Banco de pruebas 28
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XII
LISTA DE FOTOGRAFÍAS
Fotografía No. 1 Ventilador ob jeto de investigación 22 Fotografía No. 2 Aspas 23
Fotografías No. 3 y 4 Banco de pruebas 29
Fotografía No. 5 Uso del estroboscopio 30
Fotografías No. 6 y 7 Uso del tubo de pitot 30 Fotografías No. 8 y 9 Medición del torque 31
Fotografía No. 10 Medición del empuje 32
Fotografías No. 11 y 12 Medición del voltaje 32 Fotografía No. 13 Medición de la corriente 33
Fotografías No. 14 y 15 Cubos fabricados 38
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XIII
INTRODUCCIÓN
Uno de los recursos naturales más importantes para la subsistencia del ser
humano es el aire que respira. Dicho aire debe estar limpio de contaminación
para que sea benéfico. Debido a esto, hoy por hoy podemos encontrar sistemas
de ventilación en prácticamente todos los lugares que visitamos. Estos sistemas
de ventilación existen debido a la necesidad de renovar el aire contenido en un
recinto cerrado.
La ventilación puede ser natural si se lleva a cabo sin medios mecánicos a
través de aberturas al exterior en un edificio, como puertas y ventanas. También
puede ser una ventilación forzada mediante instalaciones apropiadas. En ésta
última, la ventilación se realiza generalmente mediante la impulsión de aire
limpio en los recintos a ventilar por medio de ventiladores.
Los ventiladores son máquinas diseñadas para impulsar un gas, generalmente
aire. Dichas máquinas provocan un incremento de presión, por lo que el propio
gas puede considerarse como un fluido incompresible. Los ventiladores pueden
ser básicamente de dos tipos: axiales o helicoidales y radiales o centrífugos.
Los primeros, que son de los que va a tratar éste proyecto impulsan el aire en la
misma dirección que la del eje de rotación del rotor, compuesto por una serie de
palas orientadas en la dirección de los radios equidistantes y perpendiculares al
eje.
La parte más relevante en el diseño de estas máquinas, son las palas, también
denominadas aspas. Para las cuales hay que aplicar la teoría aerodinámica y
así encontrar en conjunto con la potencia entregada por el motor, el mejor
rendimiento del ventilador. Este rendimiento se calcula por medio de la
eficiencia aerodinámica de la hélice y la eficiencia del motor.
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1. OBJETIVO
Este proyecto tiene como objetivo general, evaluar el rendimiento de un
ventilador comercial circulador de aire, a partir del análisis aerodinámico de la
hélice y pruebas experimentales.
Para lograr este fin y con el propósito de encontrar datos estandarizados, se
empleó la norma internacional Laboratory Methods of Testing Air Circulator
Fans for Rating.
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2. MARCO TEÓRICO
2.1. Aerodinámica
La aerodinámica es la ciencia que estudia el movimiento de los gases. En un
sentido más estricto, es la ciencia que se ocupa de las fuerzas que ejerce el
aire sobre los cuerpos que se desplazan en su entorno. La aerodinámica
investiga los procesos en fluidos ideales, es decir; incompresibles y no
viscosos. Para éste proyecto, el interés en la aerodinámica está centrado en
conocer de manera más detallada la propulsión de aire a partir de un ventilador
circulador de aire. Teniendo en cuenta dicho interés, uno de los aspectos a
tratar son las fuerzas aerodinámicas que actúan sobre un perfil.
Figura No. 1 Terminología del perfil1
En la figura No. 1 se pueden ver las partes de un perfil y su terminología. El
borde de ataque es el punto central de la parte delantera de un perfil. El borde
de fuga es el punto central de la parte trasera. La línea de la cuerda es la
línea recta que une el borde de ataque con el borde de fuga. La línea de
curvatura media es la línea equidistante entre el extrados y el intrados. La
ordenada máxima es la máxima distancia entre la línea de la cuerda y la línea
152 1 Tomado de: Aerodinámica, perfiles. Recuperado y modificado el 5 de enero de 2006 de Helicópteros “ The Site”: http://www.geocities.com/CapeCanaveral/Launchpad/5249/aerodinamica/perfiles.htm
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de curvatura media. El espesor máximo es la máxima distancia entre el
extrados y el intrados. El extrados es la parte superior de un perfil medido
desde el borde de ataque hasta el borde de fuga y el intrados es la parte inferior
de un perfil medido de la misma forma que el extrados.
2.1.1. Fuerzas aerodinámicas
Una fuerza aerodinámica se genera cuando una corriente de aire fluye
alrededor de un perfil, dicha fuerza es la resultante de dos componentes Una de
las componentes es la fuerza de sustentación y la otra, es la fuerza de arrastre
o resistencia al avance. En la figura No. 2 se pueden ver como son estas
componentes y la fuerza aerodinámica sobre un perfil.
Figura No. 2 Fuerzas aerodinámicas2
La sustentación es la componente de la fuerza aerodinámica perpendicular a la
corriente de aire, ésta componente se crea por la aparición de fuerzas que se
generan al circular el aire a través del perfil. Dichas fuerzas se determinan por
163 2 Tomado de: Aerodinámica, perfiles. Recuperado y modificado el 5 de enero de 2006 de Helicópteros “ The Site”: http://www.geocities.com/CapeCanaveral/Launchpad/5249/aerodinamica/fuerzaaero.htm
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la velocidad del aire y la forma del perfil. En el caso de la ventilación, el aire no
es el que lleva la velocidad, la velocidad es generada al aire por el giro del rotor,
lo que hace que sea el perfil el que se desplace a través del aire y no el aire
alrededor del perfil, esto con el fin de generar movimiento de aire; es decir, el
perfil no se mueve a consecuencia de las fuerzas que genera el aire sobre él,
sino por el contrario, el perfil produce movimiento al aire como consecuencia de
su velocidad de giro.
La resistencia o arrastre es la componente de la fuerza que se opone al
movimiento del perfil en el aire y está determinada por las mismas variables por
las que se determina la sustentación.
2.1.2. Ángulo de ataque
Para éste caso, el ángulo de ataque es el mismo ángulo de incidencia, debido a
que existe ausencia de un flujo inducido de aire, lo que significa que el aire no
es quien mueve la hélice. Dicho ángulo es el formado entre la línea de la cuerda
y el plano de rotación del rotor.
Figura No. 3 Ángulo de ataque ó incidencia3
174 3 Tomado de: Aerodinámica, perfiles. Recuperado y modificado el 5 de enero de 2006 de Helicópteros “ The Site”: http://www.geocities.com/CapeCanaveral/Launchpad/5249/aerodinamica/anguloataque.htm
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2.2. Hélices
Una hélice o rotor está compuesta por un cubo y diferente número de aspas
como lo muestra la figura No. 4. El cubo es la parte central de la hélice, a la cual
están sujetas las aspas y por medio del cual se asegura la hélice a un motor. La
hélice de éste proyecto esta compuesta por tres aspas equidistantes entre sí y
sujetas al cubo por medio de dos tornillos cada una.
Figura No. 4 Partes de una hélice4
185 4 Tomado de: Hélices – Leger, Entreprise. Recuperado y modificado el 7 de enero de 2006 de: http://www.cortix.fr/helices-leger/entreprise.htm
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3. RENDIMIENTO
A fin de tener certeza con respecto a las pruebas a realizar, se empleó la norma
internacional Laboratory Methods of Testing Air Circulator Fans for Rating, ésta
fue desarrollada por la ASHRAE (American Society of Heating, Refigerating and
Air-Conditioning Engineers) y la AMCA (Air Movement and Control Association
International), publicada en el año 2000. En ella se encuentra el procedimiento
experimental junto con las variables a medir. Sin embargo, por el tamaño y peso
del ventilador el montaje no se hizo exactamente como está descrito en la
norma, sino que se construyó un banco de pruebas donde se pueden medir
cada una de las variables con una precisión similar.
3.1. Eficiencia aerodinámica ( aη )
Para medir la eficiencia de un ventilador abierto circulador de aire, es necesario
determinar las siguientes variables:
• El torque (τ ): fuerza que genera la hélice al girar. Esta fuerza es la que
contrarresta la fuerza aerodinámica debida a la geometría del perfil, dada
en newtons por metro (N*m).
• El empuje ( E ): fuerza que aparece contrarrestando la fuerza del aire que
expulsa el ventilador y por lo tanto va en dirección contraria a la dirección
del aire expulsado, sus unidades son los newtons (N).
• La velocidad del aire (V ): velocidad generada debido a la impulsión del
aire por medio de la fuerza aerodinámica, sus unidades están dadas en
metros por segundo (m/s).
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• La velocidad del rotor (ω ): son las revoluciones por minuto (rpm) a la que
gira el motor, transmitiendo esta velocidad a la hélice, sus unidades
también pueden estar expresadas en radianes por segundo (rad/s).
A partir de estos datos, la eficiencia aerodinámica de la hélice está dada por la
siguiente expresión:
ωτη
**VE
a =
3.2. Eficiencia del motor ( mη )
Ésta eficiencia se obtiene midiendo la corriente y el voltaje que entra al motor;
multiplicando éstas variables entre sí, se determina la potencia ( P ) real
consumida por el motor. Teniendo estas nuevas variables, la eficiencia del
motor está determinada por la siguiente ecuación:
Pmωτ
η*
=
3.3. Eficiencia global ( Gη )
Dadas la eficiencia aerodinámica y la eficiencia del motor, se puede encontrar la
eficiencia global del ventilador mediante la siguiente relación:
maG ηηη *=
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3.4. Caudal (Q )
El caudal es la cantidad de volumen de aire que el ventilador hace circular por
unidad de tiempo. Este caudal se define por la siguiente relación:
AVQ m *=
Donde mV es la velocidad media del viento que genera el ventilador y A es el
área de la hélice. Éste parámetro está dado en unidades de volumen por unidad
de tiempo y su resultado se reporta en m3/s o en CFM (pies cúbicos por minuto). Las unidades CFM son las que se encuentran con mayor frecuencia en
las especificaciones de ventiladores comerciales circuladores de aire.
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4. VENTILADOR
El ventilador objeto de investigación de éste proyecto fue suministrado por
Alphex Industrias Plásticas, una empresa colombiana que está haciendo
estudios para la producción y venta de ventiladores a la industria avícola.
El estudio solicitado por Alphex a la Universidad de los Andes está orientado
principalmente a encontrar el caudal que genera el ventilador. Esto con el fin de
crear la ficha técnica del dispositivo.
El caudal es el parámetro más usado por los compradores al momento de
identificar el ventilador que requieren.
Fotografía No. 1 Ventilador ob jeto de investigación
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4.1. Características
Diámetro de la hélice: 87 cms.
Motor: Siemens 1LF4 096 – 6Y A99
Potencia: 0.75 HP / 0.56kW
No. de aspas: 3
Voltaje: 220 V
Amperaje: 3.8 A
Velocidad del rotor: 1120 rpm.
4.2. Geometría de la hélice
4.2.1. Geometría del aspa
Fotografía No. 2 Aspas
El diseño de las aspas es brasilero y fueron digitalizadas en Alphex para
posteriormente ser fabricadas por medio de un proceso de manufactura
conocido como moldeo por inyección. La hélice está hecha de nylon con
refuerzo en fibra de vidrio. El ángulo de calaje del aspa, también conocido como
el ángulo de paso del aspa, es una de las condiciones de diseño más
relevantes, la cual en el caso de ésta, empieza siendo aproximadamente de
31.6° en la base donde se conecta al cubo (parte izquierda de la fotografía No.
2) y va disminuyendo gradualmente a lo largo del aspa hasta que vuelve a
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aumentar cerca de la punta. Estos ángulos están contenidos en la siguiente
tabla, donde la primera medición está hecha a 5.32 mm de la base trazando
una línea diagonal de 106.33° de inclinación. Junto a los ángulos, también esta
la medida de la distancia de cuerda y la distancia de combadura (desde la parte
de mayor curvatura del aspa hasta la línea de cuerda).
Angulo de ataque (°) Línea de cuerda (mm) Combadura (mm) 1 31.6 42.82 2.87
2 27.43 52.7 4.1
3 25.92 59.21 4.82
4 24.16 68.04 6.95
5 22.98 76.81 8.6
6 19.02 73.62 7.39
7 15.07 69.53 6.13
8 12.35 66.29 5.23
9 10.99 62.92 4.29
10 10.54 60.34 3.3
11 10.32 57.25 2.39
12 10.76 54.96 1.76
13 11.32 52.24 1.29
14 12.03 48.67 0.98
15 12.7 46.01 0.75
16 13.39 42.94 0.7
Tabla No. 1 Mediciones aspa
La figura No. 5 muestra los puntos donde se tomaron las mediciones de la tabla
anterior. Allí, la primera medida está dada por la línea que corta los trazos de
contorno del aspa. Todas las mediciones son equidistantes a lo largo del aspa.
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Figura No. 5 Mediciones de los ángulos, cuerdas y combaduras
4.2.2. Geometría del cubo
A continuación se presenta un esquema del cubo de la hélice del ventilador. Es
importante mencionar, que las aspas están sujetas al cubo por medio de un par
de tornillos cada una y reposan en una base cuyo ángulo es de 4.4° de
inclinación.
Figura No. 6 Cubo
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5. BANCO DE PRUEBAS
Para encontrar los valores de las variables analizadas en el numeral 3.1., fue
pertinente la construcción de un banco de pruebas por medio del cual se
pudieran medir tanto la fuerza de empuje como el torque y también tener la
opción de medir fácilmente la velocidad del aire y la velocidad del rotor.
5.1. Diseño
Se tomó como ejemplo un pequeño banco de pruebas que existe en el
laboratorio de Ingeniería Mecánica de la Universidad de los Andes, en el cual se
hacen pruebas a hélices de aeromodelos. El tamaño de éste diseño se aumentó
para el ventilador usado en éste proyecto y además se dejó como opción el
cambio del soporte del ventilador para que se pudieran probar otros dispositivos
de éste tipo.
El diseño se dividió en tres partes:
5.1.1. La base
Es la lámina sobre la cual se traslada la plataforma para hacer la medición del
empuje. Consta de una placa metálica y un par de rieles como se aprecia en la
siguiente figura.
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Figura No. 7 Base del banco de pruebas
5.1.2. La plataforma
Es la parte del montaje que se desplaza sobre la base a través de los rieles por
medio de unos rodamientos. Ésta plataforma está compuesta por dos platinas
reforzadas cada una por un pie de amigo. En la parte superior de las platinas se
encuentran los orificios a través de los cuales pasa el eje principal del banco.
Sobre ésta misma lámina también se encuentran un par de varillas cuadradas
que en sus extremos tienen cada una adherida una arandela, las cuales
proporcionan la referencia para la medición del torque.
Figura No. 8 Plataforma del banco de pruebas
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5.1.3. Soporte del ventilador
Ésta pieza del banco es donde va ubicado el motor del ventilador y está
conectado a un eje robusto que ingresa en las platinas de la plataforma.
También tiene una varilla incrustada de manera perpendicular al eje y sobre sus
extremos se ubican las pesas que permiten medir el torque.
Figura No. 9 Soporte del ventilador para el banco de pruebas
5.1.4. Ensamble
Figura No. 10 Banco de pruebas
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5.2. Construcción
El banco de pruebas fue construido de manera conjunta por INSOLTORNO
LTDA., donde se fabricaron las piezas y SOL TÉCNICA, donde se hizo el
ensamble por medio de soldadura. Todas las piezas son de acero. El recuadro
de la fotografía No. 3 muestra la platina para el resorte, la cual se adicionó
después de haber construido el banco., debido a que se pensaba que el
ventilador generaría una fuerza de empuje hacia delante, pero al momento de
poner a funcionar el banco con el ventilador, la fuerza de empuje se generaba
en dirección contraria. Por ésta razón fue necesario modificar el diseño para
que el resorte hiciera una compresión contra esta. El resorte debe ir alineado
con el eje de rotación del motor, al igual que con el eje de rotación del banco.
Fotografías No. 3 y 4 Banco de pruebas
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6. PRUEBAS EN EL BANCO
6.1. Obtención de datos
6.1.1. El estroboscopio se utilizó para medir las velocidades del rotor.
Fotografía 5 Uso del estroboscopio
6.1.2. El tubo de pitot se usó para medir las velocidades del aire expulsado por
el ventilador a una distancia aproximada de 20 cms.
Fotografías 6 y 7 Uso del tubo de pitot
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6.1.3. El torque se midió por medio de un arreglo de pesas, las cuales se
pesaron en una báscula una vez encontrado el punto de equilibrio.
Fotografías 8 y 9 Medición del torque
6.1.4. El resorte se calibró y se obtuvieron los siguientes datos:
Peso (gr) Carga (N) Compresión (mm)
0 0 56
1023 10.03 52
2047 20.04 47
3069 30.07 43
Tabla No. 2 Calibración resorte
Con el resorte se midió la compresión ejercida por la fuerza de empuje del
ventilador.
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Fotografía 10 Medición del empuje
6.1.5. Se tomaron los datos de voltaje y corriente para encontrar la potencia real
consumida por el motor del ventilador.
Fotografías 11 y 12 Medición del voltaje
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33
Fotografía 13 Medición de la corriente
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7. RESULTADOS PRUEBAS VENTILADOR
Las primeras pruebas que se hicieron al dispositivo fueron hechas sin ninguna
modificación, esto con el fin de encontrar el rendimiento del ventilador y
suministrar al fabricante el caudal, que era el dato que necesitaba. Se hicieron
las medidas del área del rotor, la cual es 0.59 m2 y de la velocidad de viento
generado por la hélice en movimiento. La velocidad se tomó en ocho puntos a
lo largo del diámetro del ventilador. Estas divisiones tienen como propósito
encontrar la velocidad promedio del viento.
Se midió la presión barométrica que fue de 742 mBar y se tomó la gravedad
como 9.8 m/s2. El perfil de velocidades encontrado con los resultados obtenidos
en los diferentes puntos fue el siguiente (datos en m/s):
VELOCIDAD MEDIA (m/s) 6.03
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Con estos resultados, el caudal da un valor de 3.6 m3/s lo cual equivale a 7538
CFM.
También se calcularon los resultados de la eficiencia aerodinámica, la eficiencia
del motor y la eficiencia global. Todo esto después de haber encontrado los
siguientes datos:
EMPUJE (N)
35.05
VELOCIDAD HÉLICE
Ω (rpm) ω (rad/s) 1176 123.15
TORQUE (N*m) 2.07
VOLTAJE (V) CORRIENTE (A)
222 2.2 POTENCIA (W)
488.4
aη (%) 82.91
mη (%)
52.16
Gη (%)
32.69
Tabla No. 3 Resultados aspa a 36°
La eficiencia aerodinámica encontrada es bastante buena sin embargo, el
objetivo de éste proyecto es lograr un aumento en ella utilizando los principios
aerodinámicos expuestos en el marco teórico.
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8. VENTILADORES EN EL MERCADO
En el mercado mundial es posible encontrar ventiladores con especificaciones
técnicas y usos similares al que se esta investigando en este proyecto.
Los datos relevantes a comparar son el diámetro de hélice, el caudal, la
velocidad del rotor, la potencia y el número de aspas, que son datos comunes
en las fichas técnicas analizadas al momento de seleccionar este tipo de
dispositivos.
Fabricante Modelo Referencia Diámetro Caudal (CFM) Velocidad Potencia (HP) No. Aspas
Hélice (cms) Rotor (RPM) LOREN COOK
Co. CAC-M 36CAC08M 91.5 9280 825 0.5 3
LOREN COOK Co. CAC-WW 30CAC11WW 76.2 10001 1140 0.5 2
LOREN COOK Co.
CAC-W 30CAC11W 76.2 7261 1100 0.25 3
EMERSON Direct-Drive 3MBL36DAY 91.5 9280 825 0.5 3
EMERSON Industrial Air Circulators 3IND30D1R 76.2 9820 1100 0.5 3
EMERSON Industrial Air Circulators 3SPC30D5G 76.2 9340 1075 0.5 2
EMERSON Industrial Air Circulators 3SPC30D4G 76.2 9360 1075 0.5 2
*ALPHEX - - 87 7595 1120 0.75 3
Tabla No. 4 Especificaciones de ventiladores comerciales
*Los datos resaltados corresponden al ventilador ob jeto de estudio y las casillas vacías es información con la cual no se cuenta debido a que dicho dispositivo es un diseño experimental. Tal y como se ilustra en el cuadro comparativo, los ventiladores con
características similares a las del que se está analizando tienen todos un
desempeño consistente con lo esperado de acuerdo al proceso experimental
que se ha llevado a cabo.
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9. CAMBIOS AL CUBO
Para buscar aumentar la eficiencia aerodinámica de la hélice, se trabajó
cambiando levemente su geometría. Las aspas del ventilador no se
manipularon geométricamente puesto que son elementos estandarizados y son
las que el fabricante quiere dejar para la comercialización del aparato. Lo que
se manipuló fue la geometría del cubo para darle a las aspas una inclinación
diferente, haciendo que el ángulo de ataque cambiara para que de esta forma,
la fuerza aerodinámica que el aspa produce se modifique.
En los lugares donde se aseguran las aspas por medio de tronillos, se hicieron
modificaciones aumentando y disminuyendo los ángulos de inclinación, esto
sumado al ángulo de inclinación del aspa genera el ángulo final de ataque con
el que la hélice proporciona el aire.
9.1. Nuevos cubos
Se construyeron en la máquina de prototipos del laboratorio de Ingeniería
Mecánica de la Universidad de los Andes, tres nuevos cubos que
proporcionaron diferentes ángulos de ataque a las aspas de la hélice.
El primero que se construyo fue con base a una información que se encontró
sobre el perfil del aspa. En ella se determinaba un ángulo de ataque óptimo de
60°. Como el aspa tiene un ángulo de 31.6°, hubo que adecuar el lugar de
asentamiento del aspa en el cubo para que diera los 60°. Se hizo una cama en
el cubo con un ángulo de 28.4°.
Los otros dos cubos se construyeron teniendo en cuenta los resultados
obtenidos con el cubo original del ventilador a 4.4° y con el nuevo cubo a 28.4°.
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De esta forma se construyeron uno a 13.4° para que el aspa quedara con una
inclinación de 45° y uno de 0° para que el aspa quedara con la inclinación
propia de 31.6°.
Los siguientes son los últimos dos cubos fabricados:
Fotografías No. 14 y 15 Cubos fabricados
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10. RESULTADOS NUEVOS CUBOS
10.1. Cubo a 28.4° aspa a 60°
Éste fue el primer cubo que se probó y arrojó el siguiente perfil de velocidades
(datos en m/s), así como los siguientes resultados:
VELOCIDAD MEDIA (m/s) 6.7
EMPUJE (N)
37.43
VELOCIDAD HÉLICE
Ω (rpm) ω (rad/s) 1055 110.48
TORQUE (N*m) 6.25
aη (%) 36.33
mη (%)
63.52
Gη (%)
23.07
Tabla No. 5 Resultados aspa a 60°
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10.2. Cubo a 13.4° aspa a 45°
Luego se hicieron pruebas con el segundo cubo para determinar si el
rendimiento aumentaba con respecto a la hélice original o con respecto al
primer cubo que se modificó.
VELOCIDAD MEDIA (m/s) 7.95
EMPUJE (N)
39.76
VELOCIDAD HÉLICE
Ω (rpm) ω (rad/s) 1152 120.64
TORQUE (N*m) 4.04
aη (%)
64.92
mη (%)
66.89
Gη (%)
43.42
Tabla No. 6 Resultados aspa a 45°
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10.3. Cubo a 0° aspa a 31.6°
Finalmente se hicieron las pruebas a un nuevo cubo para ver si el rendimiento
aumentaba disminuyendo el ángulo con respecto al de la hélice original.
VELOCIDAD MEDIA (m/s) 5.65
EMPUJE (N)
25.31
VELOCIDAD HÉLICE
Ω (rpm) ω (rad/s) 1184 123.99
TORQUE (N*m) 1.33
aη (%)
86.63
mη (%)
37.73
Gη (%)
32.69
Tabla No. 7 Resultados aspa a 45°
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Un resumen de los datos de caudal y potencia encontrados para los ángulos de
60°, 45° y 31.6° se muestran a continuación:
Q (CFM) 60°
8439
Q (CFM) 45°
10013
Q (CFM) 31.6° 7116
Voltaje (V) Corriente (A) 209 5.2
Potencia (W) 1086.8
Voltaje (V) Corriente (A) 216 3.37
Potencia (W) 727.92
Voltaje (V) Corriente (A) 222 1.97
Potencia (W) 437.34
Tabla No. 8 Resultados de caudal y potencia
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11. ANÁLISIS DE RESULTADOS
• Se nota claramente, que el rendimiento aerodinámico está relacionado
directamente con el ángulo de ataque pues lo resultados demuestran que a
mayor ángulo de ataque, el torque aumenta; tendencia que hace disminuir la
eficiencia aerodinámica considerablemente.
• El empuje varía de acuerdo a la velocidad media del viento generado por
la hélice esto se observa claramente en el caso del ángulo de 45°, donde la
velocidad media es la más alta al igual que el dato del empuje. Éste
comportamiento se ve en cada una de las hélices pues para los otros cubos, a
menor velocidad, menor empuje.
• El desempeño del motor se ve claramente influenciado por el ángulo de
ataque puesto que en el caso de los ángulos de 60° y 45°, la potencia
consumida supera la potencia de las especificaciones del motor, lo cual
implicaría un deterioro del dispositivo. Además la corriente consumida para los
casos donde la potencia está dentro del margen del dato de la ficha técnica del
motor (560 W), se encuentra por debajo del amperaje que debe consumir el
ventilador según el fabricante (3.8 A).
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12. CONCLUSIONES
• Después de haber hecho las pruebas se puede decir que se ha llegado a
unos resultados satisfactorios pues la eficiencia aerodinámica finalmente logró
aumentar.
• Se puede concluir que a menor ángulo de ataque menor fuerza
aerodinámica y por ende menor torque lo que implica una mejor eficiencia
aerodinámica.
• De las variables analizadas durante el desarrollo del experimento, se
concluyó que el torque es el parámetro más influyente en el resultado de la
eficiencia aerodinámica y es el que más varía. Mientras más alto sea el valor
del torque, la eficiencia aerodinámica es menor.
• Del ángulo de ataque depende que la velocidad del viento aumente o
disminuya, existiendo un punto donde dicho parámetro llega a su máximo valor.
Si el ángulo sigue aumentando a partir de ése punto, la velocidad desciende
pero el torque sigue aumentando igualmente hasta cierto punto, haciendo que
los perfiles de velocidad sean irregulares. Si por el contrario el ángulo de ataque
disminuye con respecto al punto de máximo valor, la velocidad también baja
pero los perfiles de velocidad generados son menos aleatorios.
• La velocidad del rotor no varía considerablemente y podría decirse que
no está relacionada directamente con el torque, sino más bien con el
desempeño del motor.
• La potencia consumida por el motor es también una variable que
aumenta o disminuye en función del ángulo de ataque.
• El uso de aspas con ángulos de ataque muy pronunciados disminuirían
sustancialmente la vida del motor.
• El empuje también varía proporcionalmente con la velocidad del viento
como consecuencia del ángulo de ataque.
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13. COMENTARIOS
• Hay que señalar, que el diseño de la hélice del ventilador es bastante
bueno, teniendo en cuenta el rendimiento aerodinámico que se alcanzó.
• Con el desarrollo del proyecto se llegó a la conclusión que la escogencia
del motor podría ser reconsiderada debido a que la eficiencia del motor es
relativamente baja.
• Para una eficiencia aerodinámica alta, la potencia del motor está siendo
subutilizada.
• Podría pensarse en utilizar un motor con menor potencia pues en los
datos comparativos se encontró que la máxima potencia de los motores de los
dispositivos similares es de medio caballo y llega a ser hasta de un cuarto de
caballo; mientras que el motor del ventilador del proyecto es de tres cuartos de
caballo.
• Si se escoge un nuevo motor, es conveniente tener en cuenta la
velocidad del rotor. Debe ser muy similar a la del motor que se usó en éstas
pruebas o en el mejor de los casos un poco más alta.
• Es importante tener en cuenta que al escoger un nuevo motor habría que
realizar las pruebas nuevamente para tener la seguridad de un desempeño
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14. BIBLIOGRAFÍA
• R. A. Wallis; M.E., A.S.T.C., A.M.I.E.Aust., A.F.R.Ae.S. Axial Flow Fans
Design and Practice
• ANSI/AMCA 230-99. Laboratory Methods of Testing Air Circulator Fans
for Rating.
• Alvaro Pinilla, Ph.D., M.Sc., Ingeniero Mecánico. IMEC 3350 – Curso
Electivo de Energía Eólica Agosto de 2004, Notas del Curso.
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15. ANEXOS
• Norma internacional; “Laboratory Methods of Testing Air Circulator Fans
for Rating.
• Planos banco de pruebas.