UNIVERSIDAD NACIONAL DEL CALLAO

FACULTAD DE INGENIERÍA MECÁNICA-ENERGÍA

PROYECTO DE MEJORAMIENTO DEL VENTILADOR CENTRÍFUGO

INTEGRANTES :

Gutiérrez Adriazola, Brayan 052817-I

Henostoza Inti, Jorge 050881-A

Julcarima Romero, Jimy 032816-G

DOCENTE :

Ing. Jorge Luis Alejos Zelaya

GRUPO HORARIO :

01M

FECHA :

Miércoles, 02 de diciembre del 2009

INTRODUCCION

Viendo la situación actual de los laboratorios de la facultad y

la inoperatividad de muchos de los equipos de

experimentación de dichos laboratorios, desarrollamos este

trabajo, que es un informe del estado de conservación del

ventilador centrifugo del laboratorio de mecánica de fluidos y

máquinas térmicas, cuya finalidad es servir como aporte al

estudio de la situación actual de los laboratorios en el cual se

darán algunos consejos para la mejora y puesta en marcha

de dicho equipo.

I. OBJETIVOS

a. Dar a conocer la situación actual del equipo, en cuanto a su antigüedad y el

estado en que se encuentra el equipo.

b. Sugerir ciertas pautas para futuras mejoras del equipo.

II. ESTADO Y ANTECEDENTES DEL EQUIPO

El equipo consta de un motor eléctrico de corriente continua, dos ventiladores

centrífugos tipo siroco conectados en paralelo y un tubo de descarga de metal;

los equipos de medición de este equipo, entre los que resaltan un tubo de

Prandtl y un manómetro diferencial, no son confiables y su construcción fue

artesanal.

El equipo tiene una antigüedad aproximada de cinco años y fue construido

bajo la supervisión el Ing. Paez. La coraza el ventilador, tanto como el tubo de

descarga son de latón, A continuación se muestra un esquema aislado de la

coraza y el tubo de descarga:

Las dimensiones de dichos componentes se muestran a continuación:

A la fecha de recaudación de información (26 de noviembre del 2009) el equipo se encontraba en estado de reparación, mantenimiento e instalación de nuevos componentes (Motor y un variador de frecuencia).

Analizando detalladamente el equipo de ensayo notamos muchas deficiencias en el diseño y ensamblaje de dicho equipo, de las cuales podemos destacar las siguientes:

1. Ambos ventiladores son accionados por un solo motor eléctrico y están instalados en el mismo eje, lo que reduce la potencia entregada a cada ventilador.

2. La reducción entre la descarga inmediata del ventilador y el ingreso al tubo de descarga es demasiado pronunciada, lo que produce pérdidas que no pueden ser calculadas con el equipo actual.

3. El rolado del tubo de descarga no está adecuadamente realizado, ya que no presenta una forma circunferencialmente apropiada.

4. El tubo de descargas posee cierto número de perforaciones mal cubiertas que resultan innecesarias para las experiencias que se realizaban con el equipo.

5. Los empalmes entre la descarga inmediata del ventilador y la reducción de sección, la reducción y el tubo de descarga, no están apropiadamente sellados.

6. El cono de variación de flujo no es lo suficientemente estable y no posee una adecuada graduación de sus posiciones.

7. Los manómetros diferenciales, al ser su líquido de trabajo agua, la caída de presión no es muy apreciable.

III. CONCEPTOS GENERALES

VENTILACIÓN. La ventilación puede definirse como la técnica de sustituir el aire ambiente interior de un recinto, el cual se considera indeseable por falta de temperatura adecuada, pureza o humedad, por otro que aporta una mejora. Esto es logrado mediante un sistema de inyección de aire y otro de extracción, provocando a su paso un barrido o flujo de aire constante, el cual se llevará todas las partículas contaminadas o no deseadas.

    ntre las funciones básicas para los seres vivos, humanos o animales, la ventilación provee de oxígeno para su respiración. También puede proporcionar condiciones de confort afectando la temperatura del aire, la velocidad, la renovación, la humedad y/o la dilución de olores indeseables. Entre las funciones básicas para las máquinas, instalaciones o procesos industriales, la ventilación permite controlar el calor, la transportación neumática de productos, la toxicidad del aire o el riesgo potencial de explosión.

VENTILADOR. Un ventilador es una máquina rotativa que pone el aire, o un gas, en movimiento. Se puede definir también como una turbomáquina que transmite energía para generar la presión necesaria para mantener un flujo continuo de aire.

    Dentro de una clasificación general de máquinas,  los ventiladores son turbomáquinas hidráulicas, tipo generador, para gases.

    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 los 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.

VENTILADORES CENTRÍFUGOS. 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.

    Estos ventiladores tienen tres tipos básicos de rodetes:

a) Álabes curvados hacia adelante, b) Álabes rectos,

c) Álabes inclinados hacia atrás / curvados hacia atrás.

   En la figura  puede observarse la disposición de los álabes.

FIG.1 VENTILADORES CENTRÍFUGOS DE ÁLABES CURVADOS HACIA ADELANTE, RADIALES Y ATRÁS

   Los ventiladores de álabes curvados hacia adelante (también se llaman de jaula de ardilla) tienen una hélice o rodete con  álabes curvadas en el mismo sentido del giro. Estos ventiladores necesitan poco espacio, poseen 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, etc. No es recomendable utilizar este tipo de ventilador con aire polvoriento, ya que las partículas se adhieren a los pequeños álabes curvados y pueden provocar el desequilibrado del rodete.

   Estos ventiladores tienen un rendimiento bajo fuera del punto de proyecto. 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. En general, son bastante inestables funcionando en paralelo, vista su característica caudal-presión. En la figura pueden observarse las partes mencionadas.

FIG 2. VENTILADORES CENTRÍFUGOS DE ÁLABES CURVADOS HACIA ADELANTE, RADIALES Y ATRÁS.

   Los ventiladores centrífugos radiales tienen el rodete con los álabes dispuestos en forma radial. La carcasa está diseñada de forma que a la entrada y a la salida se alcancen velocidades de transporte de materiales. Existen una gran variedad de diseños de rodetes que van desde los de "alta eficacia con poco material" hasta los de "alta resistencia a impacto". La disposición radial de los álabes evita la acumulación de materiales sobre las mismas. Este tipo de ventilador es el comúnmente utilizado en las instalaciones de extracción localizada en las que el aire contaminado con partículas debe circular a través del ventilador. En este tipo de ventiladores la velocidad periférica es media y se utiliza en muchos sistemas de extracción localizada.

   Los ventiladores centrífugos de álabes curvados hacia atrás tienen un rodete con los álabes inclinados en sentido contrario al de rotación. Este tipo de ventilador es el de mayor velocidad periférica y mayor rendimiento con un nivel sonoro relativamente bajo y una característica de consumo de energía del tipo "no sobrecargable".

   En un ventilador "no sobrecargable", el consumo máximo de energía se produce en un punto próximo al de rendimiento óptimo de forma que cualquier cambio a partir de este punto debido a cambios de la resistencia del sistema resultará en un consumo de energía menor. La forma de los álabes condiciona la acumulación de materiales sobre ellas, de forma que el uso de estos ventiladores debe limitarse como se indica a continuación:

1. ÁLABES 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 alabes.

2. LOS ÁLABES 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.

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 parámetros de funcionamiento.

    Mediante el uso de un conjunto de ecuaciones conocidas como LEYES DE LOS VENTILADORES es posible determinar, con buena precisión, los nuevos parámetros de funcionamiento a partir de los ensayos efectuados en condiciones normalizadas. Al mismo tiempo, estas leyes permiten determinar los parámetros 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.

   Con el ánimo de precisar un tanto más lo que expone la norma UNE, se puede decir que cuando un mismo ventilador se somete a regímenes distintos de marcha o bien se varían las condiciones del fluido, pueden calcularse por anticipado los resultados que se obtendrán a partir de los conocidos, por medio de unas leyes o relaciones sencillas que también son de aplicación cuando se trata de una serie de ventiladores homólogos, esto es, de dimensiones y características semejantes que se mantienen al variar el tamaño al pasar de unos de ellos a cualquier otro de su misma familia.

   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 involucran las leyes de ventiladores son: la velocidad de rotación, el diámetro de la hélice o rodete, las presiones totales estática y dinámica, el caudal, la densidad del gas, la potencia absorbida, el rendimiento y el nivel sonoro.

    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.

CURVA CARACTERÍSTICA DE UN VENTILADOR. Según sea el ventilador, su curva característica adopta una u otra forma, Los ventiladores centrífugos, en general, son capaces de manejar presiones altas con caudales más bien bajos. En la figura 3 se observa una curva característica de un ventilador centrífugo en términos de la presión total, la presión estática y la presión dinámica.

FIG 3. CURVA CARACTERISTICA

  Para trazar la Curva Característica de un ventilador, se debe llevar a cabo un procedimiento que procure los datos necesarios. Para poder disponer de los distintos caudales que puede manejar un ventilador según sea la pérdida de carga del sistema contra el cual esté trabajando, se ensaya el aparato variándole la carga desde el caudal máximo al caudal cero. Todos los pares de valores obtenidos caudal-presión se llevan a unos ejes coordenados, obteniéndose la Curva Característica.

   La Fig.4 representa una curva tipo en la que se han representado gráficamente las presiones estáticas, que representan las pérdidas de carga, las totales y dinámicas. También se representa una curva de rendimiento mecánico del aparato.

   La característica de un ventilador es la mejor referencia del mismo ya que indica su capacidad en función de la presión que se le exige.

FIG.4 REPRESENTACIÓN GRÁFICA DE LAS PRESIONES ESTÁTICAS

   Tomando como referencia la figura anterior, la zona de trabajo idónea de un ventilador es el tramo A-B de su característica. Entre B y C su funcionamiento es inestable, el rendimiento desciende rápidamente y aumenta notablemente el ruido; por ello en muchos catálogos se representa sólo el tramo eficaz de funcionamiento obviando el tramo hasta la presión máxima.

PUNTO DE TRABAJO DE UN VENTILADOR. Para conocer el punto en que trabajará un ventilador, una vez determinada la pérdida de carga que debe vencer el mismo, no hay más que, sobre el eje de ordenadas, señalar la pérdida de carga en mmca (milímetros de columna de agua).

Si se dispone de la característica resistente del sistema, se puede encontrar de forma fácil el punto de trabajo de un ventilador acoplado al mismo, al superponer las curvas características del ventilador y resistente del conducto según se indica en la Fig. 5.

FIG.5 CURVAS CARACTERÍSTICAS DE UN VENTILADOR

  Si se desea construir la característica resistente del sistema se debe partir del hecho que en las instalaciones de ventilación la pérdida de carga que se origina varía proporcionalmente al cuadrado del caudal que fluye a través de la canalización.

   Para conocer el punto de funcionamiento de un ventilador es indispensable disponer de las curvas características de los ventiladores susceptibles de ser instalados, para cualquier cálculo e instalación que se haga.

Las curvas deben estar avaladas por el fabricante, quien las garantizará haciendo referencia a la norma y disposición adoptada para su determinación.

   Las curvas características de ventiladores se obtienen en laboratorios de ensayos debidamente equipados y por analistas especializados. Ello supone la sujeción a procedimientos según normalizaciones oficiales y aparatos, túneles y cámaras calibrados. La máxima garantía se obtiene cuando el laboratorio cuenta con una acreditación oficial.

ZONA DE FUNCIONAMIENTO. Según sea el ventilador, tipo y tamaño, existe una zona de su curva característica en la que es recomendable su uso. Fuera de ella pueden producirse fenómenos que hacen aumentar desproporcionadamente el consumo hundiendo el rendimiento, provocando un aumento intolerable del ruido e incluso produciendo flujos intermitentes de aire en sentido inverso.

   En los catálogos de ventiladores vienen indicadas las zonas de funcionamiento y sus características.   

En la figura  puede observarse la disposición de un ventilador

IV. PUNTOS A MEJORAR

Después de ver todas las deficiencias que tiene el equipo, proponemos las siguientes soluciones que detallaremos a continuación:

1. Que solo exista un único ventilador accionado por el motor, con esto el ventilador aprovecharía mayor cantidad de potencia del motor.

2. Al colocar un solo ventilador, la sección de transiciones reduciría notoriamente, reduciendo las pérdidas en la salida inmediata y mejorando la calidad del análisis.

3. Al utilizar un tubo de descarga fabricado de acrílico transparente, los cuales poseen un mejor acabado, reduciría las pérdidas por fricción. Además al utilizar humo en el ensayo, se podrían visualizar los vórtices.

4. Verificar la el correcto sellado de todas las uniones realizadas en el ventilador y sus accesorios.

5. Realizar una correcta fijación del cono, graduándolo de manera que las diversas aperturas sean ligeramente similares.

6. Utilizar unos manómetros diferenciales que trabajen con líquidos manométricos, donde una pequeña caída de presión sea apreciable como el que se muestra a continuación:

Manómetro de columna MG 100

Manómetro de columna. Ajuste del cero por desplazamiento de la regleta móvil. Depósito que permite sobrepaso momentáneo de escala. Nivel de burbuja integrado para ajustar la horizontalidad.

Rango de medida  0-100 mmca 76,00 €

Alternativamente se podría utilizar sensores de presión diferencial como el que mostramos a continuación:

Sensor de presión diferencial Beck

Los transmisores de presión diferencial de la serie 984M se usan para la medición de presiones diferenciales, sobrepresiones y vacío. Estos transmisores ofrecen 2 rangos de medición de presión y 2 señales de salida que se pueden seleccionar alternativamente transponiendo un puente.

Aplicaciones Control de medios gaseosos, no agresivos.

Posibles campos de aplicación son: Automatización de edificios, aire acondicionado y técnica de sala limpia. - Control de válvulas y compuertas. - Control de filtros, ventiladores y sopladores. - Control de caudales de aire.

Rango de medida  0 - 250 kPa

Para una mejor experiencia de medición de presión sugerimos el uso de un tubo de Prandtl con pantalla digital, el cual asegura una mayor precisión y velocidad en la toma de datos y al tener una escala graduada permite una medición a través de toda la sección del canal.

TUBO PRANDTL CON PANTALLA DIGITAL

Especificación

Equipo de medición para registro de la presión en todo el sector operativo del canal hidrodinámico.

Fijación con escala graduada, graduación 1mm.

Velocidades de corriente min. 1,5m/s

Indicador operado a pilas (9V)

Indicación: digital, de cuatro dígitos

Para hacer un ensayo aun más completo recomendamos preparar un banco de rotores fácilmente intercambiables, para así poder comparar eficiencias, comportamiento y observar sus ventajas y desventajas de los distintos tipos de rotores que existen en la industria.

Dentro de estos tipos de rotores podemos mencionar los siguientes:

ROTOR DESCRIPCION APLICACION

CURVADAS HACIA

ADELANTE

Rotor con palas curvadas hacia

adelante, apto para caudales

altos y bajas presiones. No es

autolimitante de potencia. Para

un mismo caudal y un mismo

diámetro de rotor gira a menos

vueltas con menor nivel sonoro.

Se utiliza en instalaciones de

ventilación, calefacción y aire

acondicionado de baja presión.

PALAS RADIALES

Rotor de palas radiales. Es el

diseño más sencillo y de menor

rendimiento. Es muy resistente

mecánicamente, y el rodete

puede ser reparado con

facilidad. El diseño le permite

ser autolimpiante. La potencia

aumenta de forma continua al

aumentar el caudal.

Empleado básicamente para

instalaciones industriales de

manipulación de materiales. Se

le puede aplicar recubrimientos

especiales anti-desgaste.

También se emplea en

aplicaciones industriales de alta

presión.

INCLINADAS

HACIA ATRAS

Rotor de palas planas o

curvadas inclinadas hacia atrás.

Es de alto rendimiento y

autolimitador de potencia.

Puede girar a velocidades altas.

Se emplea para ventilación,

calefacción y aire

acondicionado. También puede

ser usado en aplicaciones

industriales, con ambientes

corrosivos y/o bajos contenidos

de polvo.

AIRFOIL

Similar al anterior pero con

palas de perfil aerodinámico. Es

el de mayor rendimiento dentro

de los ventiladores centrífugos.

Es autolimitante de potencia.

Es utilizado generalmente para

aplicaciones en sistemas de

HVAC y aplicaciones industriales

con aire limpio. Con

construcciones especiales puede

ser utilizado en aplicaciones con

aire sucio.

RADIAL TIP

Rotores de palas curvadas hacia

delante con salida radial. Son

una variación de los

ventiladores radiales pero con

mayor rendimiento. Aptos para

trabajar con palas antidesgaste.

Son autolimpiantes. La potencia

aumenta de forma continua al

aumento del caudal.

Como los radiales estos

ventiladores son aptos para

trabajar en aplicaciones

industriales con movimiento de

materiales abrasivos, pero con

un mayor rendimiento.