Practica 5 Ventilador Centrifugo y Axial

7/25/2019 Practica 5 Ventilador Centrifugo y Axial

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Escuela Politcnica Nacional

Gua de PrcticasTurbomquinas

Facultad de Ingeniera Mecnica


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Laboratorio de Mecnica de Fluidos y Turbomquinas

3 VENTILADOR CENTRFUGO Y AXIAL

3.1 PRELIMINARES

Para el da de la realizacin de la prctica se debe estudiar el contenido de estedocumento, adems leer todo lo referente a Ventiladores en el libro Mecnica de Fluidosy mquinas hidrulicas de Claudio Mataix y responder a las preguntas que seencuentran al final del presente texto.

3.2 OBJETIVO

Conocer el funcionamiento y aplicacin de los ventiladores centrfugos y axiales

Construir las curvas caractersticas del funcionamiento de un ventilador

centrfugo y axial. Observar que las caractersticas de funcionamiento del ventilador se ven

afectados por el tipo de impulsor instalado en la voluta de ventilador.

3.3 MARCO TERICO (DEFINICIONES)

3.3.1 VentiladoresUn ventilador es una turbomquina generatriz que funciona con gases. Dadas suscondiciones, ocupa un puesto intermedio entre las bombas y los compresores,diferencindose de las bombas porque estas trabajan con lquidos y de los compresores

por las altas presiones que stos alcanzan. Sin embargo la teora de Turbomquinas escomn tanto para los compresores y las bombas como para los ventiladores.

En los ventiladores centrfugos, la admisin es axial y la descarga radial. Con ellos selogran rendimientos entre 60% y 70%. Mientras que los ventiladores axiales recogen eimpulsan el aire (u otro gas) en el mismo eje de rotacin de sus aspas.

3.3.2 Ventilador centrifugoEl ventilador centrfugo es una mquina rotodinmica de flujo radial. El fluido seintroduce en el centro de un impulsor giratorio. El impulsor imparte velocidad a lacorriente de aire y el aire se desplaza hacia fuera desde el centro del impulsor,

perpendicular a la direccin de la corriente de entrada, y alrededor de la carcasa (voluta)en el conducto de salida. Como resultado de la alta velocidad de rotacin, el fluidoadquiere una alta energa cintica. La diferencia de presin entre los lados de entrada ysalida surge de la conversin de esta energa cintica en energa de presin.

Los ventiladores centrfugos tienden a ser ms ruidosos, especialmente a bajaspresiones estticas. A diferencia de los ventiladores axiales, el flujo de aire a travs deun ventilador centrfugo no se puede revertir (el ventilador no funciona si se ejecuta alrevs). Un ventilador centrfugo puede, sin embargo, ser utilizado sin modificacinsignificativa al diseo en sistemas con relativamente alta presin esttica (presin

atmosfrica ms de siete veces estndar).


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Figura 1. Flujo de aire (Ventilador Centrifugo)

Los ventiladores centrfugos se utilizan en una amplia variedad de aplicaciones,incluyendo ventilacin y sistemas de extraccin de humos. Debido a que el motor estsituado fuera de la corriente de aire, el ventilador puede ser empleado en aplicacionesen las que la corriente de aire es hmeda, corrosiva, etc. El ventilador tambin puedeestar diseado de una manera que permite el cambio del impulsor sin afectar al resto dela unidad de ventilador.

3.3.3 Clasificacin ventiladores centrfugos

Los ventiladores centrfugos se subclasifican considerando el ngulo de salida del labeen ventiladores de labes curvados hacia atrs, de labes radiales y de labes curvadoshacia adelante.

Figura 2. ngulos de salida ales ventilador

3.3.4 Ventilador axial

El ventilador axial produce un flujo de gas gracias a las cargas de inercia impartidas porla superficie de las palas giratorias, paralelas al eje de rotacin. Estos ventiladores sonms apropiados para flujos ms altos a presiones de alimentacin ms bajas que sushomlogos centrfugos.


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Figura 3. Flujo de aire (Ventilador axial)

3.3.5 Clasificacin ventiladores axialesLos ventiladores axiales se subclasifican por la forma de su envolvente:

3.3.5.1 Helicoidal

Ventiladores aptos para mover grandes caudales de aire con bajas presiones. Son de

bajo rendimiento. La transferencia de energa se produce mayoritariamente en forma depresin dinmica.

Figura 4. Esquema de ventilador axial helicoidal

Se aplica en circulacin y extraccin de aire en naves industriales. Se instalan en paredsin ningn conducto. Utilizados con objetivo de renovacin de aire.

3.3.5.2 Tube axial

Tienen rendimiento algo superior al anterior y son capaces de desarrollar una presinesttica mayor. Por su construccin es apto para intercalar en conductos.

Figura 5. Esquema de ventilador tube axial

Se utiliza en instalaciones de ventilacin, calefaccin y aire acondicionado que requieranaltos caudales con presin media a baja. Tambin se utiliza en algunos sistemasindustriales como cabinas de pintura y extracciones localizadas de humos.

3.3.5.3 Vane axial

Con diseos de palas AIRFOIL, permiten obtener presiones medias y altas con buenosrendimientos. Las palas pueden ser fijas o de ngulo ajustable


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Figura 6. Esquema de ventilador vane axial

Tiene aplicaciones similares a los tube axial, pero con la ventaja de tener un flujo msuniforme y la posibilidad de obtener presiones mayores. Para una determinadaprestacin es relativamente ms pequeo que el ventilador centrifugo equiparable.

3.3.5.4 Centrifoil

Se trata de un ventilador con rotor centrfugo pero de flujo axial. Es decir rene lasventajas del ventilador centrfugo y la facilidad de montaje de un axial con el consiguienteahorro de espacio

Figura 7. Esquema de ventilador axial centrifoil

Tiene las mismas aplicaciones que el ventilador vane axial

3.3.6 Trabajo til

La relacin general entre las distintas formas de energa, sobre la base de la primera leyde la termodinmica aplicada a una unidad de masa de fluido, que fluye a travs de unvolumen de control y se expresa como:

(1)Donde:

-Wses el trabajo en el eje mecnico realizado sobre el fluido,

d (v2/ 2) es el cambio en la energa cintica del fluido,

g.dz es el cambio en la energa potencial del fluido, F es la prdida de energa por friccin en forma de calor a los alrededores o en

el aumento de la temperatura del propio fluido a medida que viaja desde laentrada hasta la salida, y

es el cambio en energa de presin,

Para un fluido incompresible de densidad constante donde p2se refiere a la salida dedescarga del ventilador, y p1a la entrada del ventilador.


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Los tres primeros trminos de la derecha representan el trabajo til Wa, es decir,

(2)

Donde el subndice 2 se refiere a la salida del ventilador, y subndice 1 a la entrada

Para los ventiladores disponibles en el laboratorio (Armfield FM40 y Armfield FM41), elcambio en el potencial de energa g (z2 - z1) puede considerarse despreciable. Laecuacin puede entonces alternativamente ser presentado como el PTF Presin Fantotal del ventilador, mediante la conversin de las unidades de obra por unidad de masaa la presin:

(3)

Se han eliminado prdidas por friccin. Se supone tambin para los fines de lossiguientes experimentos prcticos que el fluido es incompresible (es decir, esconstante).

3.3.7 Caractersticas del ventilador a velocidad constante

Los fabricantes de bombas y los diseadores de sistemas de ventiladores requieren unmtodo para indicar el rendimiento del ventilador, que permita seleccionar el ventiladorcorrecto para cualquier sistema dado de acuerdo a los requisitos de desempeo. Serequiere seleccionar un ventilador que ser capaz de producir el caudal requerido y ladiferencia de presin en condiciones tpicas del sistema, y tambin para seleccionar unventilador que operar de manera eficiente en condiciones normales de uso.

Un cuadro o grfico de parmetros de rendimiento caractersticos graficados en funcinde la descarga del ventilador es un mtodo comn de presentar el tipo de informacinrequerida.


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Figura 8. Curvas caractersticas (bomba N=velocidad de rotacin)

Cuando las lneas de eficiencia constante se superponen en un grfico para una gamade velocidades del ventilador, se obtiene una ilustracin completa de rendimiento del

ventilador. Un ejemplo se presenta a continuacin.

Figura 9. Curvas caractersticas tpicas de un ventilador centrfugo

Es posible adems diferenciar las diferentes curvas que se generan al pasar de unsubtipo de ventilador axial a otro, a continuacin se presenta el esquema respectivo:

Figura 10. Curvas caractersticas tpicas de un ventilador centrfugo

3.3.8 Caractersticas del sistema

El anlisis del sistema consiste en el clculo de las curvas de presin de capacidad parael sistema (incluyendo todas las vlvulas, tuberas, accesorios, etc.), y el uso de estas


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curvas con las de ventiladores disponibles. Estas curvas del sistema son unarepresentacin grfica de todos los posibles puntos de trabajo: la presin total delventilador se representa frente a la descarga de cero la velocidad del ventilador a lavelocidad mxima esperada. A continuacin se muestra un conjunto tpico de resultados.

Figura 11. Punto de funcionamiento del ventilador

Las curvas caractersticas del ventilador ilustran la relacin entre la presin, la descarga,la eficiencia y el potencia, sobre una amplia gama de posibles condiciones defuncionamiento, pero no indican momento en el que en las curvas el ventiladorfuncionar.

El punto de trabajo se encuentra con el trazado de la curva de presin-descarga del

ventilador con la curva de presin de descarga del sistema, como se muestra en laFigura 5. La interseccin de las dos curvas representa la presin y la descarga que elventilador va a producir en caso de operar en el sistema de tuberas dado. Se ver quela condicin de funcionamiento ptimo se consigue si este punto de funcionamientocoincide con el punto mximo en la curva de eficiencia de descarga del ventilador.


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3.4 MATERIALES Y EQUIPOS

3.4.1 Esquema del equipo

Figura 11. Esquema del ventilador centrfugo (FM40)

Figura 12. Esquema del ventilador axial (FM41)

3.4.2 Partes del equipo

3.4.2.1 Partes del equipo (ventilador centrfugo)El FM40 se compone de un ventilador propulsado por un motor elctrico y cuentaconductos de acrlico transparente. Los sensores miden las presiones diferenciales atravs del orificio de entrada y el ventilador, y la temperatura en la entrada. La tasa deflujo puede ser controlado usando una abertura en la salida, y la velocidad del ventiladorpuede ser controlada por medio del software.

Ventilador

Es un ventilador es un ventilador axial con motor de induccin montado entre los

conductos, lo que permite el movimiento de las aspas del ventilador.


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Conducto de entrada

El conducto de entrada de acrlico transparente tiene un orificio situado en el extremodel conducto para la medicin de flujo. Este conducto cuenta con dos puntos para latoma de presiones.

En un punto se est conectado a un lado de un sensor de presin diferencial, con el otrolado del sensor conectado a un tapping similar en el conducto de salida, proporcionandomedicin de la presin diferencial a travs del ventilador. En el segundo punto estconectado a un sensor de presin diferencial colocado en el orificio, para proporcionaruna lectura de la presin orificio relativo a la atmsfera.

El conducto de entrada tiene un dimetro interno de 123 mm y el orificio de entrada tieneun dimetro de orificio de 100 mm.

Sensor de Temperatura

Un sensor de temperatura electrnico montado en el conducto de entrada mide latemperatura de la corriente de aire de entrada.

Sensor de Velocidad

Un sensor ptico de infrarrojos montado frente al eje central del ventilador se utiliza paradetectar la velocidad de rotacin del ventilador. La cara del cubo del ventilador se divideen segmentos en blanco y negro para su uso con este sensor.

Ducto de salida

El conducto de salida de acrlico transparente se monta en una pequea placa situadaen la parte superior de la caja del ventilador, y se asegura con tuercas de mariposa. Unpunto de toma en el conducto de salida est conectado a un sensor de presindiferencial, con el otro lado del sensor conectado a un tapping similar en el conducto deentrada, proporcionando una medicin de la presin diferencial a travs del ventilador.Una abertura variable est montado en la parte superior del conducto.

Apertura de salida

Un dispositivo de abertura variable est montado en el extremo del conducto de salida.Esto se hace girar manualmente para reducir o aumentar el rea de seccin transversalde la salida, y por lo tanto para variar la cabeza y / o el flujo producido por el ventilador.Una pequea tuerca pulgar se utiliza para fijar el dispositivo de apertura en el ajusterequerido.

3.4.2.2 Partes del equipo (ventilador axial)Posee un ventilador axial montado en una base de acero inoxidable. Los conductostransparentes de entrada y salida permiten observar fcilmente la construccin del


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ventilador. Un dispositivo de apertura manualmente ajustable permite variar el caudal deaire.

Se utiliza una placa perforada calibrada en la descarga para medir el caudal de aire. Lossensores electrnicos miden la carga de presin del ventilador, la presin en la placa

perforada (y por tanto el caudal), la velocidad rotacional del ventilador y la temperaturadel aire

La velocidad del ventilador es controlada por un suministro cc modulado, con deteccinde corriente para permitir la medicin de la potencia consumida por el ventilador.

El equipo se suministra con un software avanzado didctico y de registro de datos

3.4.3 Software

Figura 13. Software FM40


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Figura 14. Software FM41

3.5 DETALLE DE CLCULOS PARA EL INFORME

Nombre Smbolo Unidades Definicin

Diferencia

dePresin(ventilador)

dpF Pa (N/m) Diferencia de presin entre la entrada y lasalida del ventilador (N/m 2) = (p2 - p1).

Diferenciade

Presin(entrada)

dpo Pa (N/m)

Diferencia de presin entre la presinatmosfrica y la presin en el orificio deentrada (N/m2).

Velocidaddel

ventiladorn rpm Velocidad de rotacin del ventilador

Coeficiente de

descarga Cd Cd = 0.596 para el ventilador FM40Temperatura deingreso de

aireTa C

Temperatura de aire medida en el interior delducto de entrada.

PresinBaromtrica

p a Pa (N/m)La presin atmosfrica. (En este caso a laaltura de Quito)

Aceleracin dela gravedad

g m/sLa aceleracin que acta sobre cualquierpunto dentro del fluido de trabajo debido alefecto de la gravedad.= 9,81 m / s


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rea deseccintransversal(Entrada)

A 1 m

rea de la seccin transversal de la entradadel ventilador

= *(d1) / 4

rea de

seccintransversal(Salida)

A 2 m rea de la seccin transversal de la salida delventilador = A1

Densidaddel

aire aire kg/m

Densidad del aire que ingresa en el conductode entrada. Supone que es el mismo que ladensidad del aire que sale del conducto desalida, y tambin igual a la densidadatmosfrica ambiente.

Flujovolumtrico de

aire

Qv m/sEl volumen total de aire que pasa a travs del

ventilador por unidad de tiempo.Velocidad

del aireen ducto deentrada

v1 m/s

Velocidad de aire que pasa a travs delconducto de entrada.

v1 = Qv / A1

Velocidaddel aire

en ducto desalida

v2 m/s

Velocidad de aire que pasa a travs delconducto de salida.

v2 = Qv / A2

Presin Totalproducida por elVentilador

p tF PaAumento de la presin total resultado de laaccin realizada por el ventilador en el aireque pasa a travs de l.

Torquedel

motort Nm

El par aplicado al motor al ventilador.

Potenciamecnica(entrada)

Pm W

La potencia mecnica (entrada) es el trabajo

realizado por el motor en el ventilador.

Pm = 2**n*t / 60

Potenciadel

ventilado(salida)

Pu W

La potencia de salida del ventilador es eltrabajo realizado por el ventilador, quetambin puede ser considerado como laenerga ganada por el aire que pasa a travsdel ventilador.


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Eficiencia total Egr %

La eficiencia global del ventilador, calculadocomo la energa til absorbida por la corrientede aire como una fraccin de la potenciaelctrica suministrada al motor, expresadocomo un porcentaje.

La medicin de la velocidad del aire

La tasa de flujo de volumen se mide mediante la utilizacin de la diferencia de presinentre el aire en la entrada al conducto de entrada (que se supone que es a la mismapresin y velocidad que el aire ambiente en la habitacin) y el aire en el orificio deentrada, y se calcula como sigue:

Donde:

d es el dimetro del orificio

poes la presin diferencial a travs del orificio.

es la densidad del aire.

Cd es el coeficiente de descarga para el orificio (0,596)

Esta es una forma simplificada de la ecuacin estndar para medidores de flujo deorificio, que tambin incluyen el dimetro delante del orificio como parte de la ecuacin.Para el FM410, el dimetro delante del orificio puede ser considerado infinito.

La velocidad de entrada puede encontrarse dividiendo el caudal volumtrico por el reade entrada: v1 = Qv / A1

Asumiendo que el aire como fluido incomprensible, la velocidad de salida del airepuede ser calculada de forma igual forma, dividiendo el caudal volumtrico por el reapor el rea de salida.

Ventilador Centrifugo AxialDimetro orificio 123 [mm] 123 [mm]

3.6 PROCEDIMIENTO

3.6.1 Caractersticas del ventilador a velocidad constante

1. Abrir totalmente la abertura de salida del ventilador.

2. Ajuste la velocidad del ventilador (de acuerdo con Fan Setting en el software).Tenga en cuenta la velocidad de rotacin del ventilador para la toma de datos.


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3. Tome lecturas de la temperatura del aire, presin diferencial orificio, presin

diferencial ventilador, y el poder del motor seleccionando el icono en la barrade herramientas de software.

4. Variar la abertura de salida para aumentar la velocidad del aire. Una vez que el

sistema se estabilice tome los datos seleccionando el icono.

5. Crear una nueva tabla de resultados utilizando el icono en la barra deherramientas de software.

6. Repetir pas 4 para 6 posiciones diferentes de la abertura de salida delventilador. Recuerde registrar los datos.

7. Repita el procedimiento (pasos 2,3 y 4) para 5 velocidades de flujo diferentes.

Notas:

Al variar la abertura, realizarlo hasta que est completamente cerrada para

el conjunto final de datos. La descarga nunca llegar a cero. Siempre habr un pequeo flujo de aire

medido debido a la accin del ventilador en el aire dentro de los conductosde entrada y salida.

Monitorear visualmente la abertura de salida y no retorcerlo all del punto enel que la abertura se cierra ya que podra daar la abertura.

Abra completamente la abertura despus de grabar el conjunto final de datosen el entorno actual del ventilador.

3.6.2 Caractersticas del Sistema

1. Abrir totalmente la abertura de salida del ventilador.

2. Ajuste la velocidad del ventilador (100% de acuerdo con Fan Setting en elsoftware). Tenga en cuenta la velocidad de rotacin del ventilador para la tomade datos.

3. Tome lecturas de la temperatura del aire, presin diferencial orificio, presin

diferencial ventilador, y el torque del motor seleccionando el icono en labarra de herramientas de software.

4. En el software, reducir la velocidad del ventilador con el ajuste gradual. Deje que

el flujo se estabilice a continuacin, seleccione el icono .

5. Repita el procedimiento (paso 4) para 6 velocidades de flujo adicionales,

ajustando el ventilador para dar el caudal requerido y seleccionando el iconopara grabar los datos una vez que los ajustes son correctos.

6. Crear una nueva tabla de resultados utilizando el icono en la barra deherramientas de software.


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7. Repetir pasos 2, 3, 4, 5, para 5 posiciones de la abertura de salida del ventilador,cerrando la abertura de salida para dar alguna resistencia del sistema, porejemplo cerrado (aproximadamente 1/8 de una rotacin del dispositivo deabertura).

Notas:Realizar ambos procedimientos, para ambos ventiladores (radial y centrifugo).

3.7 PREPARACIN DEL INFORME

Para el informe se debe presentar una hoja de datos.

Ejemplos de Calculo.

Resultados (hoja de resultados)

Para los cuatro procedimientos: Caractersticas del ventilador a velocidad constantey Caractersticas del Sistema

Construir la curva Presin vs Caudal a las diferentes velocidades del ventilador

Construir la curva Potencia til vs Caudal a las diferentes velocidades del ventilador.

Construir la curva rendimiento del ventilador vs Caudal a las diferentes velocidades.

Anlisis de resultados

Describa el grfico obtenido. Cmo se compara con el ejemplo dado en la teora?

Usando el grfico, describir la caracterstica de funcionamiento del ventiladorConclusiones (mnimo 3 por estudiante)

Recomendaciones (mnimo 2 por estudiante).

3.8 PREGUNTAS COLOQUIO

1. Por qu se utilizan ventiladores radiales inclinados hacia delante?

2. Cundo se utilizan ventiladores radiales y cundo ventiladores axiales?

3. Describa las curvas caractersticas de los ventiladores en serie.

4. Describa 5 aplicaciones de los ventiladores en la ingeniera Mecnica.5. Explique el funcionamiento de los ventiladores en un tnel de viento.

6. Esquema y descripcin de ventiladores contrarotatorios7. Rendimientos generales de ventiladores axiales8. Describa las curvas caractersticas de los ventiladores en serie.9. Describa 5 aplicaciones de los ventiladores axiales en la ingeniera Mecnica.10. Describa la clasificacin de ventiladores segn su uso.


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3.9 BIBLIOGRAFA

engel Y; Mecnica de Fluidos y Aplicaciones, Editorial McGraw-Hill; 2006

http://discoverarmfield.com/es/products/view/fm40/unidad-de-demostracion-deventilador-centrifugo

http://www.chiblosa.com.ar/spanish/herramientas/teoria_de_los_ventiladores.htm#axiales

http://www.soler-palau.mx/ventiladores5.php http://extractores.com.mx/ventiladores%20axiales.htm


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3.10. Hoja de datos

3.10.1 Caractersticas del ventilador centrfugo a velocidad constante

Velocidaddel

ventilador

(rpm)

Apertura

en el

ducto de

salida

Temperatura

del aire [C]

Densidad

del aire

[kg/m]

Diferencialde Presin

(entrada) Po

[Pa]

Diferencialde Presin

(ventilador)

[Pa]

Torque

Motor

t

[Nm]

Caudal

Q

[l/s]

w1

w2

w3

w4

w5


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3.10.2 Caractersticas del Sistema del ventilador centrfugo

Apertura

en el

ducto

de salida

Velocidad

del

ventilador

(rpm)

Temperatura

del aire [C]

Densidad

del aire

[kg/m]

Diferencial

de Presin

(entrada) Po

[Pa]

Diferencial

de Presin

(ventilador)

[Pa]

Torque

Motor

t

[Nm]

Caudal

Q

[l/s]

1

2

3

4

5


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3.10.3 Caractersticas del ventilador axial a velocidad constante

Velocidad

del

ventilador

(rpm)

Apertura

en el

ducto de

salida

Temperatura

del aire [C]

Densidad

del aire

[kg/m]

Diferencial

de Presin

(entrada) Po

[Pa]

Diferencial

de Presin

(ventilador)

[Pa]

Potencia

[W]

Caudal

Q

[l/s]

w1

w2

w3

w4

w5


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3.10.4 Caractersticas del Sistema ventilador axial.

Aperturaen el

ducto

de salida

Velocidad

del

ventilador

(rpm)

Temperatura

del aire [C]

Densidad

del aire

[kg/m]

Diferencial

de Presin

(entrada) Po

[Pa]

Diferencial

de Presin

(ventilador)

[Pa]

Potencia

[W]

Caudal

Q

[l/s]

1

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