informe modulo 2, lab de termica

UNIVERSIDAD DE CARABOBO.FACULTAD DE INGENIERIA.

ESCUELA DE INGENIERIA MECANICA.DEPARTAMENTO DE TÉRMICA Y ENÉRGETICA.

LABORATORIO DE TÉRMICA.

VENTILADOR CENTRÍFUGO, VENTILADOR AXIAL Y ANÁLISIS

DIMENSIONAL(Modulo n°2)

Integrantes:Arteaga José; C.I.

Flores Luis; C.I.17.932.473Urbáez Ashtom; C.I.19.209.235.

Valencia, 07 de Junio del 2012.

1. Introducción:

Los ventiladores son sistemas de gran utilidad a nivel industrial, comercial y residencial, debido a que de ellos dependen procesos básicos de producción, control ambiental, entre otros. Adicionalmente los ventiladores tienen aplicaciones especificas como: extracción de gases de escape, cortinas de aire, unidades de abastecimiento de aire, control de polución, aire acondicionado, aire de combustión, aplicaciones en computadoras, calentadores, secadores, equipos de recolección de polvo, control ambiental, transporte de materiales, circulación en hornos, destilación de petróleo, extracción o introducción de gases en reactores.

Su importancia y aplicabilidad los han convertido en elementos fundamentales en cada una de sus tareas y por ello es de vital importancia que los operarios que bajo su responsabilidad tengan el uso y mantenimiento de un ventilador cuidar que este equipo funcione óptimamente.

En este informe producto de una actividad experimental se presentará una breve teoría sobre ventiladores, su clasificación y otros temas; además también se hará uso de las ecuaciones que se utilizarán para determinar los parámetros y el comportamiento de estos equipos, así como se realizara la explicación de las diferentes variables que conforman dichas ecuaciones.

2. Objetivo General:

Ventilador Centrífugo:Comprender el comportamiento de las variables fundamentales que describen el

funcionamiento de un ventilador centrífugo (carga, caudal, potencia, entre otras).

Ventilador Axial:Analizar el comportamiento de las variables fundamentales de un ventilador axial (Carga

Total de Presión, Caudal volumétrico y Potencias, entre otras).

Análisis Dimensional:Verificar la precisión del análisis dimensional en la predicción del comportamiento de una

turbomáquina.

3. Objetivos específicos:

Ventilador Centrífugo: Obtener las curvas características de un ventilador centrífugo mediante una actividad

experimental. Analizar las curvas obtenidas en la experimentación tomando en cuenta curvas

obtenidas de forma teórica.

Ventilador Axial:

Obtener las curvas del comportamiento de las variables fundamentales de un ventilador axial mediante una actividad experimental.

Analizar las curvas obtenidas en la experimentación tomando en cuenta curvas obtenidas de forma teórica.

Análisis Dimensional: Predecir las curvas de comportamiento carga de maquina y potencia de accionamiento

en función del caudal volumétrico para un ventilador centrifugo y un ventilador axial. Obtener por medio de los coeficientes adimensionales de funcionamiento de un ventila-

dor centrífugo y un ventilador axial, a distintas velocidades de giro, la tendencia de las curvas de carga y potencia en función del caudal.

Estimar utilizando las leyes de similitud la velocidad de giro de un punto arbitrario de funcionamiento ensayado, tanto para un ventilador centrífugo como para un ventilador axial.

4. Marco teórico:

Un ventilador es una bomba de gases que eleva ligeramente la presión y la razón de un flujo alta. Entre los ejemplos están los sopladores centrífugos y los ventiladores en jaula de ardilla del sistema de ventilación de los automóviles, hornos y ventiladores de alabes. Un ventilador es entonces una maquina hidráulica [1].

Un ventilador consta en esencia de un motor de accionamiento, generalmente eléctrico, con los dispositivos de control propios de los mismos: arranque, regulación de velocidad, conmutación de polaridad, etc. y un propulsor giratorio en contacto con el aire, al que le transmite energía. Este propulsor adopta la forma de rodete con álabes, en el caso del tipo centrífugo, o de una hélice con palas de silueta y en número diverso, en el caso de ventiladores axiales.

El conjunto, o por lo menos el rodete o la hélice, van envueltos por una caja con paredes de cierre en forma de espiral para los centrífugos y por un marco plano o una envoltura tubular en los axiales. La envolvente tubular puede llevar una reja radial de álabes fijos a la entrada o salida de la hélice, llamada directriz, que guía el aire, para aumentar la presión y el rendimiento del aparato.

Ventilador Centrífugo:

Es una máquina rotativa que proporciona movimiento al aire y/o a un gas. Se puede definir también como una turbomáquina generadora que transmite energía para generar la presión necesaria para mantener un flujo continuo de aire.

En los ventiladores centrífugos la trayectoria del fluido sigue la dirección del eje del rodete a la entrada y perpendicular al mismo a la salida. Si el aire a la salida se recoge perimetralmente en una voluta, entonces se dice que el ventilador es de voluta. Los ventiladores centrífugos tienen tres tipos básicos de rodetes: álabes curvados hacia adelante, álabes rectos, álabes curvados hacia atrás.

Ventiladores de álabes curvados hacia adelante ( β>90 ° ): también conocidos como “jaula de ardilla”, tienen una hélice o rodete con los álabes curvados en el mismo sentido que la dirección de giro. Estos ventiladores necesitan poco espacio, baja velocidad periférica y son silenciosos. Se utilizan cuando la presión estática necesaria es de baja a media, tal como la que se encuentran en los sistemas de calefacción, aire acondicionado o renovación de aire. No es recomendable utilizar este tipo de ventilador con aire polvoriento, ya que las partículas se adhieren a los pequeños álabes curvados y pueden desequilibrar al rodete. Estos ventiladores tienen un rendimiento bajo fuera del punto de trabajo. Además, como su característica de potencia absorbida crece rápidamente con el caudal, ha de tenerse mucho cuidado con el cálculo de la presión necesaria en la instalación para no sobrecargarlo [2].

Ventiladores de alabes rectos( β=90 ° ) : tienen menor número de álabes que los ventiladores centrífugos de alabes curvados hacia adelante y por lo general se emplean para impulsar aire o gases sucios a elevada temperatura, gracias a la facilidad con que son eliminados los depósitos sólidos por la fuerza centrífuga.

Ventiladores de álabes curvados hacia atrás ( β<90 ° ): tienen un rodete con sus álabes inclinados en sentido contrario al de rotación. Tienen mejor rendimiento que los anteriores, ya que si los antiguos álabes de chapa (los empleados comúnmente) se reemplazan por los más modernos de perfil aerodinámico, se llega a alcanzar un rendimiento del orden del 90%. Su presión y gasto másico son inferiores para una misma velocidad de rotación y número de álabes que en el primer tipo. El nivel de ruido es bajo.

A continuación se presenta una figura donde se muestran los diferentes tipos de álabes que puede usar un ventilador:

Figura nº1: tipos de álabes de un ventilador.

Los alabes de una turbomáquina son los elementos encargados de transmitir la energía al fluido, por lo que su diseño y fabricación es de vital importancia. La forma de los álabes condiciona la acumulación de materiales sobre ellos, de forma que el uso de estos en ventiladores debe limitarse como se indica a continuación:

Alabes de espesor uniforme: los álabes macizos permiten el trabajo con aire ligeramente sucio o húmedo. No debe emplearse con aire conteniendo materiales sólidos ya que tienen tendencia a acumularse en la parte posterior de los álabes.

Alabes de ala portante: permiten mayores rendimientos y una operación más silenciosa. Los álabes huecos se erosionan rápidamente y se pueden llenar de líquido si la humedad es alta, por ello su uso queda limitado a aplicaciones en las que se manipule aire limpio.

A pesar de que no existe convenio alguno universalmente adoptado; los ventiladores pueden subdividirse en cuatro grupos:

Ventiladores de baja presión: hasta una presión del orden 200 mm.c.a (ventiladores pro-piamente dichos).

Ventiladores de media presión: entre 200 y 800 mm.c.a (soplantes). Ventiladores de alta presión: entre 800 y 2500 mm.c.a (turbo axiales). Ventiladores de muy alta presión, mayor a 2500 mm.c.a (turbocompresores).

Ventilador Axial:

Los ventiladores axiales están compuestos básicamente de un rotor de dos a 13 pale-tas, solidario a un eje propulsor movido por un motor que impulsa aire en una trayectoria recta, con salida de flujo helicoidal. Existen 3 tipos básicos de estos ventiladores que son: Helicoidales, tubulares y tubulares con directrices.

Los ventiladores helicoidales se emplean para mover aire con poca pérdida de carga, y su aplicación más común es la ventilación general. Se construyen con dos tipos de alabes: alabes de disco para ventiladores sin ningún conducto; y alabes estrechas para ventiladores que deban vencer resistencias bajas (menos de 25 mm.c.a). Sus prestaciones están muy in-fluenciadas por la resistencia al flujo del aire y un pequeño incremento de la presión provo-ca una reducción importante del caudal.

Los ventiladores tubulares disponen de una hélice de álabes estrechos de sección constante o con perfil aerodinámico (ala portante) montada en una carcasa cilíndrica. Generalmente no disponen de ningún mecanismo para ende rezar el flujo de aire. Los ventiladores tubulares pueden mover aire venciendo resistencias moderadas (menos de 50 mm.c.a).

Los ventiladores turboaxiales con directrices tienen una hélice de álabes con perfil aerodinámico (ala portante) montado en una carcasa cilíndrica que normalmente dispone de aletas enderezadoras del flujo de aire en el lado de impulsión de la hélice. En comparación con los otros tipos de ventiladores axiales, éstos tienen un rendimiento superior y pueden desarrollar presiones superiores (hasta 600 mm.c.a).

Figura n°2: Ventilador helicoidal. Figura n° 3: Ventilador Tubular.

Figura n° 4: Ventilador turboaxial con directrices.

Las directrices (compuertas) tienen la misión de hacer desaparecer la rotación existente o adquirida por el fluido en la instalación, a la entrada del rodete o tras su paso por el mismo. Estas directrices pueden colocarse a la entrada o a la salida del rodete, incluso las hay fijas ó removibles.

Leyes de los Ventiladores:

Si un ventilador debe funcionar en condiciones diferentes de las ensayadas, no es práctico ni económico efectuar nuevos ensayos para determinar sus prestaciones. Mediante el uso de un conjunto de ecuaciones designado con el nombre de “Leyes de los Ventiladores” es posible determinar, con buena precisión, las nuevas prestaciones a partir de los ensayos efectuados en condiciones normalizadas. Al mismo tiempo, estas leyes permiten determinar las prestaciones de una serie de ventiladores geométricamente semejantes a partir de las características del ventilador ensayado. Las leyes de los ventiladores están indicadas, bajo forma de relación de magnitudes, en ecuaciones que se basan en la teoría de la mecánica de fluidos y su exactitud es suficiente para la mayoría de las aplicaciones, siempre que el diferencial de presión sea inferior a 3 kPa, por encima del cual se debe tener en cuenta la compresibilidad del gas.

Estas leyes se basan en el hecho que dos ventiladores de una serie homóloga tienen homólogas sus curvas características y para puntos de trabajo semejantes tienen el mismo rendimiento, manteniéndose entonces interrelacionadas todas las razones de las demás

variables.

Las variables que comprenden a un ventilador son la velocidad de rotación, el diámetro de la hélice o rodete, las presiones total, estática y dinámica, el caudal, la densidad del gas, la potencia absorbida, el rendimiento y el nivel sonoro.

Las normas internacionales ISO, 5801-96 (E) y WD 13348-1998, a estas variables les asignan los siguientes símbolos y unidades, que aquí se usaran para ilustrar las definiciones y aplicaciones.

Simbolo Concepto Unidad

Dr Diámetro hélice/rodete m

Lwt Nivel Potencia total sonora dB

n Velocidad rotacional s-1

Pr Potencia mecánica suministrada al ventilador W

Pf Presión del ventilador Pa

qv Caudal de entrada m³/s-1

r Densidad kg/m-3

Además se debe tener en cuenta, antes de aplicar las leyes de los ventiladores que los valores conocidos lo sean de un aparato de la misma familia trabajando en las mismas condiciones bajo las cuales queremos determinar los nuevos valores y que las condiciones del ventilador considerado sean todas proporcionales a las correspondientes del tomado como punto de partida y cuyos valores reales de ensayo se conozcan. También es necesario que la velocidad del fluido dentro del ventilador sea proporcional de uno a otro y para lo cual debe comprobarse que la razón entre la velocidad periférica de dos puntos de un rodete sea la misma que la de entre la de dos puntos semejantes del otro rodete.

Curvas características de un ventilador:

Si se considera el ventilador como una bomba rotodinámica de gas, el trazado de sus curvas características se puede hacer de la misma forma que el de las bombas centrífugas. Sin embargo, habrá que tener en cuenta las siguientes observaciones:

Las curvas (Hman, Q) se sustituyen por las curvas (Δptot, Q) siendo Δptot la presión total suministrada por el ventilador. Entre las variables Hman y Δptot existe la relación:

Δ ptotal = g Hman.

Los valores medidos de Q y de Δptot se suelen reducir a condiciones normales o standard. En un ensayo bien hecho siempre hay que especificar a qué condiciones normales se refiere el ensayo, o al menos a qué presión barométrica y a qué temperatura ambiente se ha realizado.

En un gran número de aplicaciones interesa más la presión estática del ventilador que la presión total; en un ventilador con un sistema difusor eficiente la presión dinámica es muy pequeña y la Δpest se acerca mucho a la Δptot. En la figura 2 se han trazado las curvas características de cuatro tipos distintos de ventiladores, expresando todas las variables en % del valor nominal o de diseño, a fin de poder comparar más fácilmente los distintos tipos. En estas curvas es posible observar que:

a) La potencia de accionamiento Wa en los ventiladores de álabes curvados hacia adelante, figura 2 (a), aumenta constantemente con el caudal; mientras que en los ventiladores con álabes curvados hacia atrás y en los ventiladores axiales, figura 2 (c) y (d), la potencia no supera, o solo lo hace ligeramente (en un 10% aproximadamente) el valor en el punto nominal o de diseño. La curva característica de potencia de los ventiladores de salida radial, figura 2 (b), presenta características intermedias entre las de los ventiladores con álabes curvados hacia adelante y hacia atrás, como era de esperar.

b) La potencia absorbida en el arranque es mínima en los ventiladores centrífugos figuras 2 (a), (b) y (c) y máxima o casi máxima en los ventiladores axiales figura 2 (d) [2].

Figura nº2: curvas características de un ventilador.

Los ventiladores centrífugos tienen diversas aplicaciones, como por ejemplo en instalaciones de ventilación, calefacción y aire acondicionado de baja presión y también en

(a) (b)

(c) (d)

instalaciones de alta presión. También se emplean instalaciones industriales de manipulación de materiales, ventilación de galpones industriales, ventilación y extracción de centros comerciales y sótanos. Campanas y Cocinas Industriales, donde se requiera bajo nivel de ruido, entre otras.

Análisis Dimensional:

El ventilador es una bomba para gases. Por tanto, las seis leyes de semejanza de las bombas son aplicables a los ventiladores; pero en estos equipos se suelen utilizar presiones en vez de alturas como en las bombas. Por otra parte, en los ventiladores es interesante también estudiar su comportamiento cuando varía la densidad del gas (no dentro de la máquina, en la cual es prácticamente constante, sino de un lugar geográfico a otro o de un día a otro).

Primera ley: los caudales son directamente proporcionales al número de revoluciones.

Q1

Q2

=N1

N2

Segunda ley: las presiones totales engendradas son directamente proporcionales al cuadrado del número de revoluciones.

P tot1

P tot2

=(N 1

N 2)

2

Tercera ley: las potencias son directamente proporcionales al cubo del número de revoluciones.

W 1

W 2

=( N1

N2)

3

En ventiladores geométricamente semejantes:Cuarta ley: los caudales son directamente proporcionales al cubo de los diámetros.

Q1

Q2

=( D1

D2)

3

Quinta ley: las presiones totales engendradas son directamente proporcionales al cuadrado de los diámetros.

P tot1

P tot2

=(D 1

D 2)

2

Sexta ley: las potencias son directamente proporcionales a la quinta potencia de los diámetros.

W 1

W 2

=( D1

D2)

5

Séptima ley: los caudales no varían con la densidad del aire.Octava ley: las presiones estáticas engendradas varían en relación directa con la densidad.Novena ley: las potencias absorbidas varían directamente con la densidad.Décima ley: las presiones estáticas engendradas son directamente proporcionales a la presión barométrica e inversamente proporcionales a la temperatura absoluta.

PEST 1

PEST 2

=Pamb1

Pamb2

∙Tamb 2

Tamb 1

Undécima ley: las potencias son directamente proporcionales a la presión barométrica e inversamente proporcionales a la temperatura absoluta.

W 1

W 2

=Pamb1

Pamb2

∙T amb 2

T amb 1

Las Leyes de Semejanzas de los ventiladores son de gran ayuda para:

Predecir el comportamiento de una maquina de distinto tamaño; pero geométrica-mente semejante a otro cuyo comportamiento (caudal, potencia, etc.) se conoce, tra-bajando en las mismas condiciones (sobre todo en condiciones de óptimo rendi-miento).

Predecir el comportamiento de una misma máquina (la igualdad es un caso particu-lar de la semejanza), cuando varia alguna de sus características, por ejemplo en una bomba para predecir como varia la altura efectiva cuando varia el numero de revo-luciones.

Las leyes anteriores son generales, pero implican riesgo si son mal interpretadas. Un ventilador así calculado debe tener el mismo punto de capacidad que un ventilador conocido. Cuando existan dudas será mejor recalcular el ventilador y no pretender olvidar las leyes que rigen su comportamiento.

Coeficientes Adimensionales:

Coeficiente de Capacidad, CQ: Determina que el caudal es proporcional a la velocidad de rotación (N), y a la tercera potencia del diámetro del rodete (D).

CQ= Q

D3∗N

Coeficiente de Carga Hidrostática, CH: Determina que la altura o carga es proporcional a la segunda potencia tanto de la velocidad de rotación (N) como del diámetro del

rodete (D).

CH= H

D2∗N2

Coeficiente de Potencia, CP: Determina que la potencia es proporcional a la tercera potencia de la velocidad de rotación (N) y a la quinta del diámetro del rodete.

CP= P

D5∗N3

5. Procedimiento experimental:


a. Verificar la curvatura de los álabes del rodete.b. Encender el equipo con la válvula de descarga del ventilador completamente

cerrada.c. Abrir lentamente la válvula de descarga hasta que se encuentre completamente

abierta. Ajustando el regulador de potencia del motor, seleccionar 50 Hz como la velocidad de giro del rotor.

d. Cuando se estabilice el sistema, seleccionar este punto como el de inicio de la curva característica.

e. Cerrar la válvula de descarga hasta que el flujo de volumen disminuya un 20%. Mantener la velocidad de giro constante y esperar que el sistema se estabilice para tomar este nuevo punto como dato.

f. Repetir el paso anterior hasta obtener la toma de datos correspondiente a la válvula de descarga completamente cerrada.

g. Revisar los datos obtenidos.h. Repetir el procedimiento desde el paso (c) tomando ahora como velocidad de giro

45 Hz.

Ventilador Axial:

a. Encender el equipo con la válvula de descarga del ventilador completamente Abierta.

b. Ajustar el regulador de potencia del motor para seleccionar 50 Hz como la velocidad de giro del rotor. Cuando el sistema se estabilice, seleccionar este punto como el de inicio de las curvas características.

c. Cerrar la válvula de descarga hasta que el flujo volumétrico disminuya un 20%, manteniendo la velocidad de giro constante; cuando el sistema se estabilice tomar este nuevo punto como dato.

d. Repetir el paso (c), hasta obtener la toma de datos correspondiente a la válvula de descarga completamente cerrada.

e. Revisar los datos obtenidos.

f. Repetir el procedimiento desde el paso (a), pero disminuyendo la velocidad de giro a 45 Hz.


a. Predecir las curvas de comportamiento carga de máquina y potencia de accionamiento en función del caudal volumétrico para un ventilador centrífugo y un ventilador axial.

b. Obtener por medio de los coeficientes adimensionales de funcionamiento de un ventilador centrífugo y de un ventilador axial, a distintas velocidades de giro, la tendencia de las curvas de carga y potencia en función del caudal.

c. Estimar utilizando las leyes de similitud la velocidad de giro de un punto arbitrario de funcionamiento ensayado, tanto para un ventilador centrífugo como para un ventilador axial.

6. Tablas de datos:

Tabla nº1: valores obtenidos de un ventilador centrífugo con álabes curvados hacia atrás ensayado a una velocidad de 50 Hz.

Orificie pressure drop (KPa)

Fan pressure drop (KPa)

Motor speed (Hz)

Air temp (°C)

Motor power (Watts)

Volumen flow rate

(m3/s)

Fan total

pressure (KPa)

Fan power output (Watts)

Overall total

efficiency (%)

0.11 0.31 50.18 19.02 83.78 0.0318 0.339910.790

812.88

0.07 0.34 49.80 18.22 72.79 0.0253 0.3563 8.9976 12.360.04 0.38 49.83 17.95 68.64 0.0189 0.3873 7.3117 10.650.02 0.42 50.03 17.25 64.73 0.0131 0.4223 5.5444 8.570.00 0.46 50.50 17.63 56.67 0.0066 0.4642 3.0498 5.380.00 0.46 50.06 18.38 58.13 0.0040 0.4580 1.8449 3.17

Tabla nº2: valores obtenidos de un ventilador centrífugo con álabes curvados hacia atrás ensayado a una velocidad de 45 Hz.



Motor speed (Hz)

Air temp (°C)

Motor power (Watts)

Volumen flow rate

(m3/s)

Fan total

pressure (KPa)


Overall total

efficiency (%)

0.11 0.24 45.32 16.60 80.61 0.0318 0.2714 8.6277 10.700.08 0.27 45.43 16.98 75.23 0.0262 0.2909 7.6344 10.150.04 0.31 45.34 16.44 65.95 0.0193 0.3178 6.1183 9.280.02 0.34 45.17 17.57 61.80 0.0131 0.3420 4.4923 7.270.00 0.37 44.93 18.06 52.76 0.0061 0.3692 2.2703 4.30

0.00 0.37 44.79 18.27 51.29 0.0033 0.3678 1.2094 2.36Tabla n°3: valores obtenidos de un ventilador centrifugo con álabes curvados hacia adelante ensayado a una velocidad de 50 Hz.



Motor speed (Hz)

Air temp (°C)

Motor power (Watts)

Volumen flow rate

(m3/s)

Fan total

pressure (KPa)


Overall total

efficiency (%)

0.5159 0.6802 50.26 20.20 416.46 0.0673 0.8093 54.47 13.080.2811 0.7015 50.03 19.93 363.21 0.0496 0.7718 38.32 10.550.1776 0.6832 50.09 20.31 331.70 0.0395 0.7277 28.74 8.660.1046 0.6571 50.12 21.70 308.98 0.0303 0.6833 20.76 6.720.1642 0.6327 49.94 20.63 266.48 0.0120 0.6369 7.65 2.870.1764 0.6273 49.94 20.42 264.04 0.0124 0.6317 7.86 2.97

Tabla nº4: valores obtenidos de un ventilador axial ensayado a una velocidad de 50 Hz.



Motor speed (Hz)

Air temp (°C)

Motor power (Watts)

Volumen flow rate

(m3/s)

Fan total

pressure (KPa)


Overall total

efficiency (%)

0.05 0.05 49.54 20.90 25.28 0.0440 0.0549 2.4180 9.560.04 0.07 49.83 19.72 29.29 0.0360 0.0659 2.3713 8.100.02 0.07 49.95 19.08 30.14 0.0279 0.0706 1.9685 6.530.01 0.08 49.48 19.08 31.56 0.0179 0.0793 1.4238 4.510.00 0.09 50.00 19.18 44.82 0.0078 0.0896 0.6970 1.560.00 0.09 49.65 19.24 49.19 0.0063 0.0909 0.5690 1.16

Tabla nº5: valores obtenidos de un ventilador axial ensayado a una velocidad de 45 Hz.



Motor speed (Hz)

Air temp (°C)

Motor power (Watts)

Volumen flow rate

(m3/s)

Fan total

pressure (KPa)


Overall total

efficiency (%)

0.04 0.05 45.37 20.42 21.01 0.0404 0.0464 1.8729 8.920.03 0.05 45.08 21.06 22.28 0.0339 0.0529 1.7943 8.050.02 0.06 45.32 21.28 22.84 0.0258 0.0582 1.4998 6.570.01 0.06 44.96 20.74 24.18 0.0165 0.0647 1.0711 4.430.00 0.07 44.90 20.42 29.90 0.0082 0.0727 0.5991 2.000.00 0.08 45.20 20.47 33.78 0.0061 0.0752 0.4610 1.36

Tabla n°6: Ventilador Axial. Cuadro comparativo entre parámetros calculados manualmente y los Suministrados por la herramienta computacional.

Variable Resultado calculado Resultado del programaFlujo volumétrico, Qv(m^3/s) 0.0269 0,0279

Carga de presión, ptF (Pa) 69.88 70,6Potencia útil, PU(W) 1.88 1.9685

Eficiencia global, Egr(%) 6.23 6.53Tabla n°7: coeficientes adimensionales. Ventilador centrífugo N=50Hz.

CP 50 CQ 50 CH 502.79 0.23 0.000152.42 0.18 0.000162.28 0.14 0.000182.15 0.09 0.000191.88 0.04 0.000211.93 0.03 0.00022

Tabla n°8: coeficientes adimensionales. Ventilador centrífugo N=45Hz.

CP45 CQ45 CH450.23 0.15 0.000160.25 0.124 0.000160.252 0.093 0.000180.27 0.061 0.000190.313 0.032 0.000210.374 0.015 0.00022

Tabla n°9: coeficientes adimensionales. Ventilador axial N=50Hz.

CP 50 CQ 50 CH 500.84 0.32 0.000250.97 0.26 0.000301.00 0.20 0.000321.05 0.13 0.000361.49 0.05 0.000401.64 0.04 0.00041

Tabla n°10: coeficientes adimensionales. Ventilador axial N=45Hz.

CH45 CQ45 CP450.00026 0.33 0.960.00029 0.27 1.020.00032 0.21 1.040.00036 0.13 1.100.00040 0.06 1.360.00042 0.05 1.54

Tabla n°11: similitud Ventilador Centrífugo.

Psimi Qsimi Hsimi

61.07 0.0286 28.0553.06 0.0235 29.450.03 0,0173 31.9647.18 0.0117 35.1441.31 0.00549 38.31

Tabla n°12: similitud. Ventilador Axial.

HsimiQsimi

Psimi

4.53 0.0396 18.425.43 0.0324 21.355.82 0.0251 21.976.54 0.0161 237.39 0.007 32.677.5 0.0056 35.85

7. Desarrollo de los ejercicios prácticos:

Calculos tipo para Ventilador Axial:

Flujo Volumétrico:

Qv=C∗A∗√ 2∗∆ Pρ

=0.596∗π∗0.12

4∗√ 2∗20

1.2027=0.0269

m3

sPotencia Útil:

Pu=Q ∙∆ P=0,0269m3

s∙0,07kPa=1.88W

Carga de Presión:

PfT=Pu

Q= 1.88W

0.0269m3

s

=69.88 Pa

Eficiencia global:

Egr=Pu

Pe

= 1.8830.14

∙100%=6.23 %

A continuación, se realizarán los cálculos para obtención de Ptf en unidades mmca, la cual se efectuara tanto para n= 45hz y n=50 Hz:

Ptf=0.3399kPa ∙|102.15mmcakPa |=34.72mmca

Calculos tipo para Analisis Dimensional:

Usando relaciones de semejanza para ventildor centrifugo con velocidades de N = 45 Hz y N = 50 Hz:

Carga de Maquina (mmca):

H 2

H 1

=( N2

N1)

2

; Donde:

H 2=H @45 Hz N2=N @45 Hz H 1=H @50 Hz N1=N @50 Hz

H 2

34.72=( 45

50 )2

→ H 2=28.12mmca

Caudal (m3/s):Q2

Q1

=N2

N1 Donde:

Q2=Q@45 Hz N2=N @45 HzQ1=H @50 Hz N1=N @50 Hz

Q2

0.0269=( 45

50 )→Q2=0.024m3

s

Potencia de accionamiento (W):

P2

P1

=( N2

N1)

3

; Donde:

P2=P@45 Hz N2=N @45 HzP1=P@50 Hz N1=N @50 Hz

P2

83.78=( 45

50 )3

→P2=61.07W

Al realizar el procedimiento anteriormente explicado se obtienen los valores especificados en la tabla n°11.

Utilizando los coeficientes adimensionales de funcionamiento se construyen las curvas CH vs CQ y CP vs CQ.

Convirtiendo la velocidad a rpm con el diámetro del rodete del ventilador y el número de polos del motor:

Drodete = 0.095m; n° de polos = 4Para N = 50 Hz

N=120∗Frecuencian° polos

→ N=120∗504

=1500 rpm=157.07 rad / s

Para N = 45 Hz

N=120∗Frecuencian° polos

→ N=120∗454

=rpm=141.37 rad /s

Calculo de los coeficientes adimensionales CQ, CH y CP para N = 50 Hz ó N = 1500 rpm:

CH= H

D2∗N2= 0.03463mca

(0.095m )2∗(157.37 rad / s )2=1.5∗10−4

CQ= QD3∗N

=0.0318

m3

s(0.095m )3∗(157.07 rad /s )

=O .23

CP= P

D5∗N3∗¿=83.78

(0.095m )5∗(157.07 rad /s )3=2.794¿

Con el procedimiento anterior se calculan los coeficientes adimensionales para los demás valores de la tabla de datos y para los valores de la tabla de N = 40 Hz ó N = 1200 rpm se obtienen las tablas de coeficientes antes mencionados.

Usando relaciones de semejanza para ventildor axial con velocidades de N = 45 Hz y N = 50 Hz:

Carga de Maquina (mmca):

H 1

H 2

=( N1

N2)

2

; Donde:

H 1=H @45 Hz y N1=N @45 HzH 2=H @50 Hz y N2=N @50 HzH 1

5.594=( 45

50 )2

→H 1=4.53mmca

Caudal (m3/s):

Q1

Q2

=N1

N2 Donde:

Q1=Q@45 Hz y N1=N @45 HzQ2=H @50 Hz y N2=N @50 Hz

Q1

0.044=( 45

50 )→Q1=0.0396m3

s

Potencia de accionamiento (W):

P1

P2

=( N1

N2)

3

; Donde:

P1=P@45 Hz y N1=N @45 HzP2=P@50 Hz y N2=N @50 Hz

P1

25.26=( 45

50 )3

→P1=18.42w

Al realizar el procedimiento anteriormente explicado se obtienen los valores especificados en la tabla n°12.

8. Análisis de resultados:

Ventilador centrifugo:

Al estrangular el caudal en la experimentación se observa un aumento gradual en las variables correspondientes a presión total y caída de presión del ventilador, sin embargo las variables potencia del motor, potencia eléctrica, potencia útil y eficiencia disminuyen. Esto sucede para ambas velocidades, tanto 45 Hz como 50 Hz. (Alabes curvados hacia atrás).

En cuanto al análisis de ventilador centrifugo con álabes curvados hacia adelante (50 Hz), los valores de potencia aumentan significativamente para dicha velocidad en compara-ción con los valores obtenidos para ventilador centrífugo con álabes curvados hacia atrás, sin embargo cuando se estrangula el caudal los valores de presión total del ventilador dismi-nuyen, la caída de presión del ventilador se mantiene relativamente constante; la potencia eléctrica, potencia útil y eficiencia disminuyen.

Se puede demostrar en las graficas que al disminuir el caudal de salida al ventilador aumenta la carga total y aumenta también la carga estática debido a la cantidad de aire que entra aumenta la presión en la salida del ventilador. En la graficas se muestra que al disminuir caudal disminuye también la potencia útil y la potencia eléctrica y la eficiencia global. También se puede observar que al comparar la grafica de carga estática y carga total de los ventiladores centrífugos a distintas velocidades de rotación (50Hz y 45Hz) se evidencia una significativa variación de carga, además la eficiencia varía notablemente en base a un mismo caudal.

Al realizar la comparación entre ventilador centrífugo con álabes curvados hacia atrás y ventilador centrífugo con álabes curvados hacia adelante, se observa que para las varia-bles Pe, PtF y Egr estudiadas en los alabes curvados hacia adelante los valores son mayo-res, esto es porque el caudal que se maneja es mayor. Sin embargo la mayor potencia del ventilador Pu sigue siendo la de alabes curvados hacia atrás a 50 Hz. En álabes curvados hacia atrás a 50 Hz y 45 Hz a mayor caudal menor presión total del ventilador, en álabes curvados hacia adelante a mayor caudal mayor presión total del ventilador. Tanto en álabes curvados hacia atrás a 50 Hz y 45 Hz como en curvados hacia delante a 50 Hz a mayor cau-dal mayor potencia eléctrica, mayor potencia útil y mayor eficiencia.

Ventilador Axial:

Las graficas se realizaron de acuerdo a los parámetros establecidos en la actividad práctica. Al comparar los resultados calculados manualmente con los obtenidos por el programa, tienen una variación si se quiere despreciable; siendo los cálculos de valores inferiores a los obtenidos por el programa

En las graficas obtenidas se puede apreciar que al disminuir el caudal aumentan la carga total y la carga estática debido a que aumenta la presión en la zona de descarga. Con la disminución del caudal aumentan también la potencia útil y la potencia eléctrica y disminuye la eficiencia global.

Comparando la graficas de carga total y carga estática bajo un mismo caudal pero a diferente velocidad de giro 50Hz y 45Hz se puede observar que la variación no es tan significativa, esto se debe a que a pesar de variar la velocidad del motor las demás variables involucradas mantienen valores relativamente constantes durante todo el desarrollo de la actividad práctica.

La potencia eléctrica de arranque es mayor al inicio y disminuye a medida que au-menta el caudal. La potencia útil aumenta a medida que aumenta el caudal hasta un pico y luego desciende, este aumento es siempre la zona de operación optima La eficiencia global del ventilador es baja, debido a que la potencia útil experimentada por el fluido es más bajo en comparación a la potencia eléctrica para accionar el motor.

Análisis dimensional.

En esta actividad se aplicaron las leyes de semejanza de ventiladores para cada curva (de cada tipo de ventilador) y se obtuvieron como resultado los valores de los coeficientes de semejanza que fueron graficados (CP vs CQ, CH vs CQ), realizando la relación de semejanza de un ventilador con otro igual a distinta velocidad de entrada del motor.

Para la curva Potencia vs Caudal las curvas obtenidas por leyes de semejanza presentaron variaciones con respecto a las curvas obtenidas experimentalmente. En este caso se pueden considerar los errores del ensayo y la variación de densidad respecto a la temperatura (que se desprecia en los cálculos) para explicar el por que de estas diferencias. Se graficaron también las curvas de H vs Q y Ptf vs Q cuyo comportamiento resulto ser

bastante similar a las curvas obtenidas experimentalmente.

Otra razón por la que estas curvas no coinciden del todo, es que las leyes de semejan-zas parten del principio fundamental de que un equipo a distintas condiciones de trabajo, se considera el mismo equipo, con la misma eficiencia y capacidad que tiene una maquina a escala real (prototipo) o bien puede ser una maquina a escala reducida (modelo); siempre y cuando exista una “similitud completa”, es decir, que exista similitud geométrica, similitud cinemática y similitud dinámica; las similitudes geométricas y cinemáticas se mantienen ya que es siempre el mismo ventilador, pero la similitud dinámica a bajas velocidades no se mantiene del todo, siendo esto la posible razón del aumento del error de forma exponencial, ya que a medida que disminuía la velocidad de giro del ventilador, se obtuvo una curva por amplitud cada vez más alejadas de las experimentales.

Es importante tener en cuenta que las semejanzas restringidas son resultado de la simplificación de los coeficientes adimensionales, asumiendo que las revoluciones por minuto para dos diámetros diferentes son iguales, por lo que es lógico que los resultados obtenidos mediante la aplicación de las relaciones de semejanza tenga similitud con los resultados obtenidos experimentalmente.

9. Conclusiones y recomendaciones:


Se puede observar en el experimento que al accionar el ventilador con la válvula 100% abierta la potencia eléctrica realiza un salto muy alto y luego se estabiliza, por esto es recomendable siempre accionar el ventilador con la válvula de salida totalmente cerra-da.

Los ventiladores centrífugos son más silenciosos que los ventiladores axiales. Los ventiladores centrífugos entra aire en dirección del eje y sale perpendicular al eje. La potencia absorbida por este ventilador aumenta considerablemente en base a la va-

riación del caudal. Los ventiladores centrífugos trasladan poco caudal pero si pueden aumentar la presión

de un lado a otro.

Ventilador Axial:

La potencia absorbida en el arranque es máxima en los ventiladores axiales En los ventiladores axiales la eficiencia es muy baja. Se comprobó la veracidad del programa utilizando para la práctica de ventilador axial,

al comparar los resultados obtenidos del ejercicio práctico 1. Para grandes caudales la carga de presión es baja. La potencia eléctrica de arranque es mayor para poder vencer la inercia.

Es necesario el uso de una colmena a la entrada del ventilador de manera que se direc-cione el fluido y no se presenten turbulencias, esto para la obtención de unos datos mas acertados.


A través de las leyes de semejanza se pueden buscar otras curvas de comportamien-to a distintas velocidades de rotación.

Las curvas H vs Q (experimental y similitud) mostraron diferencia muy pequeñas entre ellas, con esto se corrobora que el error cometido en la relación de similitud para Q y H es muy despreciable.

para las curvas P vs Q la diferencia entre la velocidad de 50 Hz y 45 Hz era mucho mayor. Entonces para este caso la ley de similitud de potencia aplicada a los venti-ladores no cumple con el análisis dimensional, al igual que las curvas CP vs CQ.

10. Fuentes consultadas:

[1]. Cengel, Yunus; Cimbala, Jhon (2006). “Mecànica de los Fluidos”. Octava edicion, McGrawHill.

[2]. “Ventilador centrifugo”. [Documento en línea]: http://www.unet.edu.ve/~maqflu/doc/LAB-1-128.htm (citado 04-Junio-2012, 07:00 pm).

CURVAS

Curvas de comportamiento del ventilador centrifugo con alabes curvados hacia ATRAS para 50 Hz

0 0.005 0.01 0.015 0.02 0.025 0.03 0.0350

0.050.1

0.150.2

0.250.3

0.350.4

Carga total (KPa) vs Caudal (m3/s)

PtF(Kpa)

Q(m3/s)

PtF(

KPa)

http://www.unet.edu.ve/~maqflu/doc/LAB-1-128.htm

0 0.005 0.01 0.015 0.02 0.025 0.03 0.0350

2

4

6

8

10

12

Eficiencia global(%) vs Caudal(m3/s)

Egr(%)

Q(m3/s)

Egr (

%)

0 0.005 0.01 0.015 0.02 0.025 0.03 0.0350

102030405060708090

Potencia electrica, potencia util (w) vs Caudal (m3/s)

Pe(w)Pu(w)

Q(m3/s)

Pe,P

u (w

)

Curvas de comportamiento del ventilador centrifugo con alabes curvados hacia ATRAS para 45 Hz

0 0.005 0.01 0.015 0.02 0.025 0.03 0.0350

0.05

0.1

0.15

0.2

0.25

0.3

0.35

0.4


PtF(Kpa)

Q(m3/s)

PtF(

KPa)

0 0.005 0.01 0.015 0.02 0.025 0.03 0.0350

10

20

30

40

50

60

70

80

90


Pe(w)Pu(w)

Q(m3/s)

Pe,P

u (w

)

0 0.005 0.01 0.015 0.02 0.025 0.03 0.0350

2

4

6

8

10

12


Egr(%)

Q(m3/s)

Egr (

%)

AXIAL PARA 50 HZ Y 45 HZ

0 0.01 0.02 0.03 0.04 0.05 0.06 0.07 0.080

50

100

150

200

250

300

350

400

450


Pe(w)Pu(w)Pe(w)@45Pu(w)@45

Q(m3/s)

Pe,P

u (w

)

0 0.01 0.02 0.03 0.04 0.05 0.06 0.07 0.080

0.1

0.2

0.3

0.4

0.5

0.6

0.7

0.8

0.9

Carga total (KPa) vs Caudal (m3/s

PtF(Kpa)PtF(Kpa)@45

Q(m3/s)

PtF(

KPa)

0 0.01 0.02 0.03 0.04 0.05 0.06 0.07 0.080

2

4

6

8

10

12

14


Egr(%)Egr(%)@45

Q(m3/s)

Egr (

%)

Curvas de comportamiento del ventilador centrifugo con alabes curvados hacia adelante para 50 Hz

0 0.01 0.02 0.03 0.04 0.05 0.06 0.07 0.080

0.10.20.30.40.50.60.70.80.9


PtF(Kpa)

Q(m3/s)

PtF(

KPa)

0 0.01 0.02 0.03 0.04 0.05 0.06 0.07 0.080

50100150200250300350400450


Pe(w)Pu(w)

Q(m3/s)

Egr (

%)

0 0.01 0.02 0.03 0.04 0.05 0.06 0.07 0.080

2

4

6

8

10

12

14


Egr(%)

Q(m3/s)

Egr (

%)

CURVAS H vs Q A DISTINTAS VELOCIDADES (50 Hz-45 Hz)

0 0.005 0.01 0.015 0.02 0.025 0.03 0.0350

5

10

15

20

25

30

35

40

45

H vs QH vs Q @45 curvados hacia atras

CURVAS Pv vs Q A DISTINTAS VELOCIDADES (50 Hz-45 Hz)

0 0.005 0.01 0.015 0.02 0.025 0.03 0.0350

10

20

30

40

50

60

70

80

90

P vs QP v Q @45 alabes curvados atras

CP vs CQ centrifugo a distintas Hz

0 0.05 0.1 0.15 0.2 0.250

0.5

1

1.5

2

2.5

3

CP vs CQ @50CP vs CQ @ 45

CH vs CQ centrifugo a distintas Hz

0 0.05 0.1 0.15 0.2 0.250

0.00005

0.0001

0.00015

0.0002

0.00025

CH vs CQ @50CH vs CQ @ 45

CP vs CQ axial a distintas Hz

0 0.05 0.1 0.15 0.2 0.25 0.3 0.350

0.2

0.4

0.6

0.8

1

1.2

1.4

1.6

1.8

CP vs CQ @ 50 axialCP vs CQ @ 45 axial

CH vs CQ axial a distintas Hz

0 0.05 0.1 0.15 0.2 0.25 0.3 0.350

0.00005

0.0001

0.00015

0.0002

0.00025

0.0003

0.00035

0.0004

0.00045

CH vs CQ @ 50 axialCH vs CQ @ 45 axial

informe modulo 2, lab de termica

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