VENTIALDOR CENTRIFUGO IMPRIMIR

RESUMEN TÉCNICO

Los fluidos por su naturaleza, son altamente móviles, como tales pueden ser transportados de un lugar a otro por medio de canales abiertos y conductos cerrados. En los sistemas de ventilación y aire acondicionado distribuyen el aire a través de ductos a relativamente baja presión. Loa ventiladores o sopladores que son responsables del movimiento del aire pueden describirse como dispositivo de alto volumen y baja presión. Se requiere un conocimiento de las presiones en el sistema de ductos para adaptar en forma apropiada un ventilador a un sistema dado.Dos tipos de pérdida de energía en sistemas de ductos provocan que la presión disminuya a lo largo de la trayectoria del flujo, las pérdidas por fricción (a través de accesorios) y por medio de los dispositivos de control de flujo. Se debe tener en cuenta que al presentarse una compresibilidad apreciable es necesario considerar los principios de la termodinámica.En la experiencia a realizar se determinará las pérdidas de energía en el ducto, el caudal y además se verificarán los resultados obtenidos comparándolos con las respectivas fórmulas teóricas.

INTRODUCCIÓN

Las turbomaquinas son maquinas de transferencia de energía que funciona según el

principio de cambio de momento angular que experimenta un fluido a su paso por un

elemento mecánico giratorio llamado rotor. Turbomaquinas hidráulicas son aquellas en las

que el fluido que pasa a través de ellas no experimenta un cambio sensible en su densidad.

El ventilador de una bomba de aire; puede ser axial o radial según sea la dirección que

sigue el flujo en su recorrido por el rotor. El ventilador eleva la presion del aire dentro del

rango de 0 – 1000 mm de columna de agua. El aire se puede considerar incompresible;

mientras la variación de la densidad no exceda el 7%. Debido a esto el diseño de un

ventilador se simplifica y se lo clasifica dentro de las turbomaquinas hidráulicas.

Los ventiladores axiales son utilizados cuando el flujo de aire requerido es relativamente

grande comparado a la altura de presion que va a proporcionar el ventilador. Los

ventiladores radiales llamados también centrífugos son utilizados cuando el flujo de aire

requerido es relativamente bajo comparado a la altura de presion que va a proporcionar el

ventilador. Lo que determina cuando se debe utilizar un ventilador axial o radial es la

eficiencia. Para determinadas condiciones de flujo de aire y altura de presion un ventilador

es más eficiente que otro. Los ventiladores axiales tienen su aplicación en quemadores y

cámaras de combustión, ventilación, tiro forzado en calderas, torres de enfriamiento,

procesos de secado, etc. Mientras que los radiales o centrífugos tienen su aplicación en

transporte neumático, quemadores y cámaras de combustión, ventilación, tiro forzado y tiro

inducido en calderas, colectores de polvo, procesos de secado, chimeneas, aire

acondicionado, etc.

En la presente experiencia de laboratorio se ensayara con un ventilador centrífugo y un

ducto de aire. Se fijaran velocidades de rotación, se ira variando los caudales y para estas

condiciones se tomaran datos de presiones y torque, con lo que se obtendrá el

comportamiento del ventilador. Posteriormente se analizaran los datos y se mostraran los

resultados mediante tablas y graficas (conchoides).

OBJETIVOS

Determinar el comportamiento de un ventilador centrífugo a diferentes

condiciones de funcionamiento.

Conocer la performance del ventilador centrífugo a diferentes RPM.

Graficar las curvas de comportamiento de la altura y eficiencia del ventilador

(“conchoide”) en función del caudal para cada velocidad.

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FUNDAMENTO TEÓRICO:

Un ventilador es una turbomáquina que se caracteriza porque el fluido

impulsado es un gas (fluido compresible) al que transfiere una potencia con un

determinado rendimiento. A pesar de que no existe convenio alguno

universalmente adoptado; los ventiladores pueden subdividirse en cuatro

grupos:

1. Ventiladores de baja presión: hasta una presión del orden 200 mm de

agua (ventiladores propiamente dichos).

2. Ventiladores de media presión: entre 200 y 800 mm de agua

(soplantes)

3. Ventiladores de alta presión: entre 800 y 2500 mm de agua

(turbosoplantes)

4. Ventiladores de muy alta presión , mayor a 2500 mm de agua

(turbocompresores)

En función de la trayectoria del fluido, todos estos ventiladores se pueden

clasificar en

1. De flujo radial (centrífugos)

2. De flujo semiaxial (helico-centrifugos)

3. De flujo axial

Fig.1 Configuración típica de sendos rodetes: radial, semiaxial y axial.

LABORATORIO DE INGENIERÍA MECÁNICA III

6

1.1.1 VENTILADORES RADIALES (CENTRÍFUGOS)

En los ventiladores centrífugos la trayectoria del fluido sigue la dirección del eje

del rodete a la entrada y está 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:

1. Alabes curvados hacia adelante.

2. Alabes rectos.

3. Alabes inclinados hacia atrás/curvados hacia atrás.

1.1.1.1 VENTILADORES DE ÁLABES CURVADOS HACIA ADELANTE.

También se llaman de 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, 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 provocan 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.


7

Fig. 2 Ventiladores centrífugos de álabes curvados hacia delante, radiales y

atrás.

1.1.1.2. VENTILADORES CENTRÍFUGOS RADIALES.

Tienen el rodete con los álabes dispuestas en forma radial. La carcasa está

diseñada de forma que a la entrada y a la salida se alcanzar 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 utilizar en

muchos sistemas de extracción localizada que vehicular aire sucio o limpio.

Fig. 3 Triángulos de velocidades a la salida para los distintos rodetes

centrífugos

1.1.1.3. 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


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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:

o 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.

o Alabes de ala portante: Las álabes de ala portante permiten mayores

rendimientos y una operación más silenciosa. Los álabes huecos se

erosionan rápidamente, por ello su uso queda limitado a aplicaciones

en las que se manipule aire limpio.

Fig. 4 Curvas características relativas para ventiladores centrífugos.


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10

EQUIPOS E INSTRUMENTOS

MOTOR ELECTRICO

Motor del Ventilador.

Marca: US ELECTRIC MOTOR

Pot. Placa: 2HP

Voltaje: 230/460 v

Intensidad: 7.2/3.6 A

Velocidad: 1600rpm

Frecuencia: 60 Hz.


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VENTILADOR Y DUCTO DE VENTILACION

Ducto de Ventilación.

2.1. INSTRUMENTOS

2.1.1. MANÓMETRO INCLINADO

Especificaciones: Marca “Dwyer Instruments Inc”

Aproximación:±0.25%

Modelo 400


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Manómetro inclinado.

MANÓMETRO DIGITAL

Figura 8: Manómetro digital.

2.1.2. TACÓMETRO DIGITAL

MARCA: SMITH

Rango: 0 - 2000 rpm.

Aproximación: 20 rpm.


13

Figura 9: Tacómetro Digital.


14

3.1. PROCEDIMIENTO

Detallaremos el procedimiento en los siguientes pasos:

1. Primero, se establecen 10 posiciones para el cono regulador de caudal.

2. Ahora, se enciende el motor del ventilador, y utilizando el tacómetro

digital, se regula el giro del eje del motor hasta alcanzar un valor

determinado. Al mismo tiempo se coloca el cono regulador de caudal en

su primera posición.

Primera posición del cono regulador de caudal.

3. Una vez alcanzada la frecuencia angular y teniendo el cono en su

primera posición, se toma la presión estática entre la entrada y salida del

ventilador (boquilla más cercana antes del ventilador-entrada- y boquilla

inmediatamente posterior al ventilador-salida-).

Para la medición de la presión estática se utiliza el manómetro inclinado.

Repetir este paso para cada posición del cono regulador de caudal.


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Medición de la presión estática usando el manómetro inclinado.

4. Al mismo tiempo, que se mide la presión estática y para diferentes

posiciones del cono, en la salida del ducto de ventilación, se mide la

presión dinámica del fluido.

La medición se realiza con la ayuda del manómetro digital, que se

conecta a un tubo de Pitot, el que cual se colocara en el centro del

ducto.

Medición de la presión dinámica empleando el manómetro digital.


16

5. Se varia de posición al cono regulador y por último, se cambia la

frecuencia angular y se repiten los pasos del 2 al 4 tomando 8 puntos

por cada rpm.


17


18

CALCULOS Y RESULTADOS

Tabla 1. Datos del ventilador a 1000RPM.

Pto P2-P1(pulg H2O) F(lb) Py(pulg H2O)1 0.65 21/32 0.00852 0.6 23/32 0.0233 0.4 23/32 0.064 0.27 24/32 0.085 0.215 23/32 0.0926 0.18 24/32 0.17 0.165 23/32 0.1028 0.15 23/32 0.104






19

Datos adicionales:

Dimensiones del medidor de caudal:

Brazo: 10 in

Diámetro: 12 in

4.1. CALCULO DE LOS RESULTADOS

Calculo de la altura del ventilador (metros de Aire):

H=P2−P1

γ

Donde:

P2 y P1: Pascales

γ : N/m3

Cálculo del Caudal (m3/s):

Q=Area×Velocida Promedio

Donde:

Area=π ×D2

4

Velocida Promedio=0.82×V max


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Cálculo de la altura de la bomba (m H2O):

HB=P2−P1

γmH 2O

Donde:

P2 y P1: Pascales

γ : N/m3

Cálculo de la Potencia hidráulica (W):

Ph=γQH

Donde:

Q: m3

Cálculo de la Potencia al eje (W):

P Eje=Fuerza×Brazo×velocidad angular

Donde:

Fuerza: N

Brazo: m

Velocidad angular: rad/s

Cálculo de la eficiencia (%):

ƞ= PHP Eje

×100%


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Tabla 4. Resultados a 1000 rpm.

H(m) Q(m^3/s) Peje(w) Ph(w) n%13.955 0.113 76.356 18.314 23.98512.881 0.186 83.628 27.808 33.2528.588 0.301 83.628 29.943 35.8055.797 0.347 87.264 23.338 26.7444.616 0.372 83.628 19.929 23.8313.864 0.388 87.264 17.395 19.9343.542 0.392 83.628 16.104 19.2573.220 0.396 83.628 14.783 17.677


H(m) Q(m^3/s) Peje(w) Ph(w) n%24.689 0.116 132.350 33.349 25.19821.254 0.239 137.077 58.992 43.03613.955 0.378 137.077 61.241 44.6769.876 0.443 141.804 50.699 35.7537.729 0.477 141.804 42.762 30.1566.655 0.494 137.077 38.140 27.8245.904 0.499 137.077 34.146 24.9105.367 0.506 137.077 31.509 22.986


H(m) Q(m^3/s) Peje(w) Ph(w) n%45.085 0.388 229.068 202.944 88.59640.791 0.313 248.702 148.036 59.52326.836 0.506 255.247 157.504 61.70618.893 0.589 255.247 128.974 50.52914.599 0.644 255.247 108.976 42.69412.452 0.667 255.247 96.271 37.71711.379 0.676 248.702 89.157 35.84910.735 0.694 248.702 86.437 34.755


22

0.000 0.200 0.400 0.600 0.8000.0005.000

10.00015.00020.00025.00030.00035.00040.00045.00050.000

HB(m) vs Q(m^3/s)

1200 RPMPolynomial (1200 RPM)1300 RPMPolynomial (1300 RPM)1800 RPMPolynomial (1800 RPM)

Q(caudal)

HB(a

ltura

de

la b

omba

)

Altura del ventilador vs Caudal.

0.000 0.100 0.200 0.300 0.400 0.500 0.600 0.700 0.8000.000

50.000

100.000

150.000

200.000

250.000

300.000

Peje(W) vs Q(m^3/s)

Q(caudal)

Peje

(pot

encia

al e

je)

Potencia Eje vs Caudal.


23

0.000 0.200 0.400 0.600 0.8000.000

10.00020.00030.00040.00050.00060.00070.00080.00090.000

100.000

n(%) vs Q(m^3/s)

1200 RPMPolynomial (1200 RPM)1300 RPMPolynomial (1300 RPM)1800 RPMPolynomial (1800 RPM)

Q(caudal)

n(efi

cienc

ia)

Eficiencia vs Caudal

0.000 0.100 0.200 0.300 0.400 0.500 0.600 0.700 0.8000.000

50.000

100.000

150.000

200.000

250.000

Ph(W) vs Q(m^3/s)

1000 RPMPolynomial (1000 RPM)1300 RPMPolynomial (1300 RPM)1800 rpmPolynomial (1800 rpm)

Q(caudal)

Ph(p

oten

cia h

idra

ulica

)

Potencia hidráulica vs Caudal


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CONCLUSIONES

La máxima eficiencia obtenida por el ventilador centrifugo fue de 62.6% para 1800 RPM, así como 55.05% para 1500 RPM y 49.55% para 1200 RPM.

La máxima potencia hidráulica obtenida por el ventilador centrifugo fue

de 149.98 W para 1800 RPM, así como 85.48 W para 1500 RPM y

43.97 W para 1200 RPM.

Como era de esperarse, mientras variábamos la posición del cono de

regulación aumentando el caudal, la altura del ventilador disminuye para

cada RPM.

La eficiencia del ventilador no sobrepasa el 58%.

Al graficar las conchoides para cada isoeficiencia se observan que sus

tendencias se acercan a las curvas teóricas, es decir, mientras aumenta

la eficiencia se van cerrando las curvas.

Al medir la fuerza sobre el dinamómetro la medición no fue muy precisa

porque la aguja oscilaba mucho.

Se colocó el tubo de Pitot en la posición media del ducto para obtener la

máxima velocidad del flujo, para posteriormente hallar la velocidad

media

Para el cálculo de pérdidas por accesorios se buscó información sobre

codos y reductores para tomar un valor de K aceptable.

Para el cálculo de las perdidas por fricción en el ducto se entró a tablas

de materiales de plancha galvanizada para un diámetro de 12 pulg.


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OBSERVACIONES

La potencia al eje prácticamente es constante para es constate para cada RPM tomado en el ventilador centrifugo

Se observa que a medida que aumenta las rpm del ventilador, aumenta

la potencia del aire, el caudal.

También se observa que la tendencia de las curvas para cada tipo de

velocidad del ventilador, en general son ascendentes en función de la

altura (Hv).


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BIBLIOGRAFÍA

1.- Manual de Laboratorio de Ingeniería Mecánica III………UNI-FIM

2.- Ventiladores y turbocompresores………………………....Masana


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