11.1 Guia Práctica Módulo Ventiladores Centrifugos

BANCO DE PRUEBAS PARA VENTILADORES CENTRÍFUGOS 1. DESCRIPCIÓN DE LA MÁQUINA Se define por ventilador una turbo máquina para mover aire y que utiliza un rodete como unidad impulsora. Un ventilador tiene al menos una abertura de aspiración y una abertura de impulsión. Las aberturas pueden tener o no elementos para su conexión al conducto de trabajo. La densidad del aire estándar que movemos, llamada densidad del aire a la masa por unidad de volumen, es de 1,2 kg/m3 al nivel del mar.

Figura 1.1 Ventilador axial de cuatro paletas. Los ventiladores pueden dividirse en dos grandes grupos: ventiladores axiales o helicoidales (figura 1.1.) y ventiladores radiales o centrífugos (Figura 1.1). Los primeros lanzan el aire en dirección axial y, en los segundos, la corriente de aire se establece radialmente a través del rodete. Van accionados por medio de un motor eléctrico y la transmisión puede ser directa o por medio de poleas y correas trapezoidales.

Figura 1.2. Ventilador centrifugo A su vez, los ventiladores se pueden clasificar conforme: a) b) c) d)

Al aumento de presión que produce. La forma de los alabes. La disposición de los alabes. A sus diversas aplicaciones.

En la Tabla 1.1. Se puede determinar el ventilador a utilizar más apropiado en base a su velocidad específica ny. Los ventiladores también se conocen con el nombre de extractores. La diferencia entre un ventilador y un extractor consiste en que el primero descarga el aire o el fluido venciendo una cierta

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presión en su boca de salida; el segundo saca el aire o el fluido del recinto por aspiración y los descarga por una ligera presión. Tabla 1.1. VELOCIDADES ESPECÍFICAS PARA LOS DIFERENTES TIPOS DE VENTILADORES

TIPO DE VENTILADOR

ny

1. Radial de alta presión. 2. Radial de presión media y baja a) Con alabes doblados hacia delante. b) Con alabes doblados hacia atrás. 3. Radiales de doble entrada 4. Axiales para altas presiones. 5. Axiales con alabes torcidos planos

13 – 30 30 - 80 30 - 60 50 - 80 80 – 120 120 – 200 200 - 400

2. PARTES PRINCIPALES DE UN VENTILADOR CENTRIFUGO La estructura constructiva de un ventilador centrífugo elemental se muestra en la figura 2.1.

Figura 2.1. Ventilador centrifugo: (1) cubo fundido, (2) disco principal, (3) paletas de trabajo, (4) disco delantero, (5) rejilla de paletas, (6) sistema de accionamiento, (7) cuerpo, (8) bancada, (9) cojinetes, (10-11) bridas de fijación.

RUEDA DE TRABAJO La rueda de trabajo del ventilador (figura 2.1.) consta del cubo fundido (1), conjugado rígidamente con el disco principal (2) y el disco delantero (4). En la rueda de trabajo se encuentran instaladas las paletas de trabajo (3) (figura 2.2.).

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Figura 2.2. Rueda de trabajo: (1) cubo fundido, (2) disco principal, (3) paletas de trabajo, (4) disco delantero. PALETAS DE TRABAJO Las paletas de trabajo (3) se fijan al disco principal (2) y al disco delantero (4), que garantiza la rigidez necesaria de la rejilla de paletas (5) (figura 2.1)

Figura 2.3. Rodete de alabes de curvatura hacia atrás Las paletas de trabajo (alabes) del ventilador centrifugo pueden ser curvadas hacia atrás (figura 2.3.), hacia adelante (Figura 2.3) o rectas (Figura 2.4.) es esta curvatura la que determina la eficiencia total de un ventilador, mientras que el espesor de estas también influyen, por ello aunque normalmente los ventiladores tienen espesor constante, existen alabes de espesor variable denominados aerodinámicos, que mejoran aun más la eficiencia (figura 2.6)

Figura 2.4. Rodete de alabes de curvatura hacia adelante, doble succión

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Figura 2.5. Rodete de alabes rectos

Figura 2.6. Rodete de alabes aerodinámicos EL CUERPO El cuerpo espiral sirve para recibir el fluido del rodete de trabajo y para transformar la energía dinámica en energía de presión con el mínimo posible de pérdidas (figura 2.8.). Los cuerpos de los ventiladores se hacen espirales de anchura constante y se perfilan según la regla del cuadrado a = A/4.

Figura 2.8. Envuelta espiral: (1) rueda de trabajo, (2) envuelta espiral, (3) sección de salida, (4) lengua

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Para elevar la eficiencia del ventilador se disminuye la holgura de r4, pero por otro lado, al disminuir dicha holgura crece el nivel de ruido; por lo tanto la relación entre la holgura y el diámetro exterior del rodete debe ser mayor a 0.2. El cuerpo del ventilador se fija a la bancada fundida o soldada, sobre la cual se encuentran los cojinetes, sobre los cuales descansa el árbol del ventilador con la rueda de trabajo encajada sobre él. BRIDAS DE FIJACION Los elementos (10) y (11) de la figura 2.1 son las bridas de fijación de los tubos de impulsión y de aspiración respectivamente. DISPOSITIVO DE ENTRADA Sirve para el suministro del fluido hacia el rodete de trabajo, con el mínimo de perdidas y alta homogeneidad del flujo (figura2.9)

Figura 2.9. Dispositivo de entrada: (1) rodete de trabajo, (2) tubuladura de entrada, (3) cuerpo espiral La tubuladura de entrada puede ser cilíndrica, cónica, toroidal o combinada figura2.10.

Figura 2.10. Tipos de tubuladuras de entrada: (1) cilíndricas, (2) cónica, (3) toroidal, (4, 5,6) combinadas La velocidad del flujo a la entrada permanente constante o aumenta debido a la disminución del área de la tubuladura de entrada. La tubuladura prepara al flujo para la entrada al rodete (cambio de giro) sin producir turbulencias ni remolinos. TIPOS DE INSTALACION La combinación del ventilador con el accionamiento se realiza conforme a los esquemas de la figura 2.11.

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Figura 2.11 Realización constructiva de la instalación del ventilador. 3 PARTES PRINCIPALES DE UN BANCO DE PRUEBAS Los elementos que componen la estructura constructiva de un banco de pruebas se muestra en la figura 2.12.

Figura 2.12 Esquema del banco de pruebas: (A) tubuladura de entrada, (B) ventilador, (C) motor eléctrico, (D) estrangulador, (E) conducto de salida, (F) micro manómetros, (G) sistema de control de velocidad.

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A) TUBULADURA DE ENTRADA Se llama tubuladura de entrada a la parte de la cavidad conductora de la maquina, que suministra el fluido que se traslada al orificio de entrada de la rueda de trabajo. El conducto de alimentación de estructura correcta debe proporcionar una distribución uniforme de simetría axial por la sección de entrada de la rueda de trabajo. La estructura del conducto de alimentación y la posición del orificio de admisión del mismo deben una conjugación cómoda de la maquina con la tubería de aspiración. B) VENTILADOR Se define por ventilador a una turbo máquina para mover aire y que utiliza un rodete como unidad impulsora localizado en una carcasa. Un ventilador tiene al menos una abertura de aspiración y una abertura de impulsión. C) MOTOR ELECTRICO El ventilador es accionado por un motor eléctrico el cual puede estar conectado directamente al eje del ventilador o mediante poleas de accionamiento (figura 2.12.) El motor eléctrico es una maquina utilizada para transformar energía eléctrica en energía mecánica. Son los motores más utilizados en la industria, pues combina las ventajas del uso de la energía eléctrica (bajo costo, facilidad de transporte, limpieza y complicidad de la puesta en marcha, etc.), con una construcción relativamente simple, costo reducido y buena adaptación a los más diversos tipos de carga. De acuerdo a la fuente de tensión que alimente al motor, podemos realizar la siguiente clasificación: -

Motores de corrientes continúa. Se utilizan en los casos en los que es de importancia el poder regular continuamente la velocidad del eje y en aquellos casos en los que se necesita de un torque de arranque bastante elevado. Para funcionar, el motor de corriente continua o directa precisa de dos circuitos eléctricos: el circuito de campo magnético y el circuito de la armadura (figura 2.13.)

Figura 2.13. Campo (C1 C2) y armadura (a1 a2).

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-

Motores de corriente alterna Bajo el titulo de motores de corriente alterna podemos reunir a los dos siguientes tipos de motor: 

Motor síncrono Este motor tiene la característica de que su velocidad de giro es directamente proporcional a la frecuencia de la red de corriente alterna que lo alimenta. Por ejemplo, si la frecuencia es de 60 Hz, si el motor es de dos polos, gira a 3600 rpm; si es de cuatro polos gira a 1800 rpm. Y así sucesivamente. Este motor o gira a la velocidad constante dada por la fuente o, si la carga es excesiva, se detiene. La ecuación característica de esta máquina es: n = 120 x f/P donde: "n" es la velocidad en rpm. Del eje, f es la frecuencia en Hz de la fuente de corriente alterna en la armadura y P es el numero de polos del campo magnético (numero par). El motor síncrono es utilizado en aquellos casos en los que se desea velocidad constante. En nuestro medio, sus aplicaciones son mínimas y casi siempre están relacionadas con sistemas de regulación y control, mas no con la transmisión de potencias elevadas.



Motor Asíncrono o de inducción Casi la totalidad de energía eléctrica consumida por la industria, para alimentar motores, está dedicada a los motores asíncronos. Estos motores tienen la peculiaridad de que no precisan de un campo magnético alimentado con corriente continua como en los casos del motor de corriente continua o del motor síncrono. De acuerdo a la forma de construcción del rotor, los motores asíncronos se clasifican en:



Motor asíncrono de rotor bobinado: Se utiliza en aquellos casos en los que la transmisión de potencia es demasiado elevada y es necesario reducir las corrientes de arranque.



Motor asíncrono tipo jaula de ardilla: Es considerado el motor eléctrico por excelencia. Es el motor relativamente más barato, eficiente, compacto y de fácil construcción y mantenimiento.

D) ESTRANGULADOR El estrangulador es el elemento del banco que permite variar el caudal de aire en forma controlada desplazando dicho regulador a posiciones distintas de acuerdo a las condiciones necesarias para cada ensayo, permite aumentar o disminuir la resistencia al flujo, simulando diferentes condiciones del sistema. E) CONDUCTO DE SALIDA Se llama conducto de descarga a la parte de la cavidad conductora de la maquina que recibe el fluido que se traslada desde la rueda de trabajo.

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Esta toma la forma que resulta de la carcasa que contiene al ventilador centrífugo a la salida del flujo de alto vertical y ancho horizontal porque genera, obviamente, mayor eficiencia para la salida del flujo. De ser posible, remarcaremos que generalmente se recomienda diseñar tubuladuras de sección cuadrada. F) MICROMANOMETRO Cuando la presión medida es muy pequeña, por ejemplo, menos de 100 milímetros de columna liquida es preciso utilizar un micro manómetro. Dichos instrumentos son de precisión y nos permiten realizar la toma de medidas de presiones pequeñas. G) VARIADOR DE VELOCIDAD La variación de velocidad del ventilador se puede realizar por medio de poleas y fajas a través de un circuito electrónico con el cual se logra la variación de las rpm del motor eléctrico. En el caso de optar por un circuito electrónico, para lograr la variación de las rpm, se deberá tener en cuenta que este debe estar constituido por un transformador, una fuente estabilizada, un detector de paso por cero, un integrador, un comparador, un amplificador, un transformador de pulsos y un tiristor (figura 2.14)

Figura 2.14. Diagrama de bloques de la tarjeta de control Tipos de instalación Los tipos de instalación difieren en la disposición de los ductos de aire a los cuales va a ser conectado el ventilador para el ensayo, en las medidas a ser tomadas, en los cálculos a ser realizados a partir de estos datos y aun en la determinación de las cantidades a ser canalizados a partir del ensayo. Estos tipos pueden ser: Tipo A: Tipo B: Tipo C: Tipo D:

Instalación con la entrada libre y la salida libre. Instalación con la entrada libre y ducto a la salida. Instalación con ducto a la entrada y la salida libre. Instalación con ducto tanto a la entrada como a la salida.

Las diferencias son significativas. Para un mismo ventilador ensayado por diferentes métodos, se puede observar discrepancias en su comportamiento y eficiencia del orden del 5 % y aun 10 %. Sin embargo no siempre se llega a estas diferencias. Para comparar el funcionamiento de dos ventiladores se debe seguir el mismo método. COMPORTAMIENTO DE LA PRESION EN LA INSTALACION

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Debido a que se cuenta con dos puntos de medición de presión, se puede avaluar la curva de presiones estáticas y totales cuya tendencia se muestra en la figura 2.15, faltando un punto que debe ser ubicado en el ventilador. Para toda medición se puede realizar la curva de variación de las presiones colocando la perdida desde la toma hacia el ventilador (en la admisión).

Figura 2.15. Grafico de las presiones en la instalación. CURVAS CARACTERISTICAS Se llama curvas características de los ventiladores a las graficas de las alturas de presión, potencia al eje y de la eficiencia en función del caudal volumétrico (figura2.16).

Figura 2.16. Curvas características de un ventilador para rpm= cte.

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ÍNDICE DE PRÁCTICAS DE VENTILADORES CENTRÍFUGOS 1. 2. 3. 4.

Práctica N° 1, reconocimiento del equipo, accesorios y funcionamiento del modulo. Práctica Nº 2, esquema de instalación de un ventilador centrífugo. Practica Nº 3, banco de ensayo de ventiladores. Práctica Nº 4, curvas características de un ventilador Centrífugo.

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PRACTICA N° 1 RECONOCIMIENTO DEL EQUIPO, ACCESORIOS Y FUNCIONAMIENTO DEL MODULO 1. OBJETIVOS -

Reconocer los componentes y el equipo principal, así como determinar sus características de operación. Reconocer los accesorios principales que hay en el modulo, y determinar sus parámetros de funcionamiento. Reconocer las funciones del modulo y determinar el funcionamiento del equipo.

2. RECOMENDACIONES -

Utilizar los elementos de protección personal necesarios como: lentes, guantes y zapatos de seguridad. Observar las características del modulo al momento de ingresar a la rea del trabajo. Tomar la mayor cantidad de datos visibles del equipo y sus componentes Tener precaución con las líneas de electricidad, agua y distinguirlas, así como la alimentación de energía eléctrica del banco de pruebas para ventiladores centrífugos.

3. PROCEDIMIENTO EXPERIMENTAL -

Determinar mediante la observación detallada el tipo de equipo así como el tipo de ventilador centrífugo que posee, análisis de sus respectivos (anexos), principales características de construcción y toma de datos de placa. Observar y determinar los parámetros de operación del termómetro Observar y determinar los parámetros de operación de los manómetros Observar el banco de pruebas y determinar de qué tipo es el ventilador, proceder a un análisis de su funcionamiento. Observar los parámetros de funcionamiento del ventilador centrifugo así como la toma de datos Revisión del sistema del ventilador centrifugo. 1. 2. 3. 4.

Verificar el correcto abastecimiento de energía eléctrica Verificar que la válvula de descarga de flujo este cerrada Verificar que el sistema este debidamente calibrado Verificar que el banco de prueba para ventiladores centrífugos tenga el nivel de flujo adecuado para evitar la succión del sistema.

4. CUESTIONARIO 1. Hacer un listado de los principales componentes del modulo y hacer una grafica. 2. ¿Qué tipos de ventiladores centrífugos hay en el modulo, cuáles son sus datos de placa y cuáles son sus principales características de operación? 3. ¿Cuál es el tipo de micro manómetro utilizado, cuáles son sus datos y cuáles son sus principales características de operación? 4. ¿Cuáles son los instrumentos de medición instalados de que tipo son y cuáles son sus rangos? 5. Escriba en forma clara y concisa 05 conclusiones de la experiencia realizada.

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PRACTICA Nº 2 ESQUEMA DE INSTALACIÓN DE UN VENTILADOR CENTRÍFUGO DESCRIPCIÓN DEL EQUIPO Y ESQUEMA DE LA INSTALACIÓN La instalación en la que se lleva a cabo esta práctica es un banco de ensayos preparado para fines docentes, que está integrado fundamentalmente por un ventilador centrífugo, que será ensayado, tubería de aspiración y descarga y varios sensores de medida.

1. Bastidor 2. Ventilador centrífugo con álabes hacia atrás 3. Sensor de presión (para la medida del caudal) 4. Sensor de temperatura 5. Sensor de presión diferencial 6 y 7. Sensor de velocidad del ventilador 8. Válvula de mariposa en la tubería de salida para regular el caudal (Diámetro de la tubería de aspiración: 122 mm Diámetro de la tubería de impulsión: 100 mm) Objetivos. Los objetivos de esta práctica son: 1. Determinar la curva motriz del ventilador para varias velocidades del motor Introducción teórica. Un ventilador centrífugo consiste en un rotor encerrado en una envolvente en forma de espiral. El aire entra a través del conducto horizontal, en sentido paralelo al eje del ventilador, succionado por el rotor. El aire es impulsado por el rotor y recogido por la envolvente de descarga hasta el conducto vertical de salida. Los rotores pueden disponer de álabes curvados hacia delante o hacia atrás

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1. Aspiración 2. Rotor del ventilador (el aire aumenta su velocidad) 3. Carcasa (el aire se decelera transformándose su energía cinética en energía de presión) 4. Impulsión. La curva motriz de un ventilador relaciona la energía útil entregada por el ventilador al fluido, H = hb,uy el caudal que impulsa. Para determinar estas variables se emplean las siguientes ecuaciones:

Donde hb,ues la energía útil en forma de altura que aporta el ventilador al fluido medida en m, y Wb,ues la potencia útil entregada por el ventilador al fluido. El rendimiento total de un ventilador se mide con el cociente entre la potencia útil entregada Por el ventilador al fluido y la potencia eléctrica consumida por el motor eléctrico:

La curva resistente de una instalación representa la energía requerida por el fluido para circular por la instalación venciendo las pérdidas de carga mayores y menores del circuito. La determinación de las pérdidas de carga mayores en tuberías se realiza empleando las ecuaciones:

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Para las pérdidas menores en los accesorios de la instalación se emplea la ecuación:

Método experimental. A continuación se detallan los pasos a seguir para resolver la práctica. Todos los cálculos y resultados se entregarán en un único archivo del programa EES. 1. Obtención de la curva motriz del ventilador con álabes curvados hacia atrás Para obtener la curva motriz del ventilador se realizarán varias medidas, a continuación se detallan los pasos a seguir. Antes de arrancar el ventilador, se realizarán las siguientes comprobaciones: a. Válvula de mariposa abierta  Se conectará el ventilador y se arrancará suavemente aumentando el número de rpm. Se esperará hasta que se estabilice el caudal.  Se fijará un número de revoluciones por minuto inicial para empezar a medir (a partir de 1400 rpm).  Toma de datos b. Se comenzarán a hacer las medidas con la válvula de mariposa abierta. c. Se tomará el valor de caudal a la entrada de la tubería de aspiración en el ordenador y se calculará la presión que debe estar midiendo el sensor a la entrada de la tubería de aspiración (asumiendo un flujo sin pérdidas entre el ambiente y la sección de entrada del ventilador. El aire en el ambiente se considera en reposo). d. Se tomarán medidas de la presión diferencial del aire a la entrada y a la salida del ventilador. Aplicando la ecuación de conservación de la energía obtener: la altura útil del ventilador, la potencia suministrada y el rendimiento. e. Se tomarán datos de la potencia eléctrica para poder calcular el rendimiento. f. La válvula de mariposa se irá cerrando para modificar el caudal. Se tomarán datos de medida en al menos 10 posiciones distintas.  Los anteriores apartados se realizarán para 5 valores de rpm distintos.  Se tomarán los mismos datos del apartado anterior para calcular la curva motriz del ventilador a baja velocidad ajustando para cada posición de la válvula mariposa las rpm del ventilador (ver tabla 2)  Los datos obtenidos se llevarán a una tabla paramétrica en el EES y se realizarán los cálculos necesarios de: altura, potencia y rendimiento del ventilador (ver introducción teórica). Se realizarán 5 gráficas en una misma ventana con los datos de la tabla 1 y una nueva gráfica con los datos de la tabla 2.

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 Se representarán gráficamente los datos obtenidos y se ajustarán a una expresión del tipo H motriz = a + b*V2.  Se obtendrá la curva característica del ventilador trabajando a distintas rpm. Las curvas deberán ser representadas en un único gráfico en el programa EES.  Representar también, para cada rpm, las curvas de potencia eléctrica consumida y las curvas de rendimiento total del ventilador.

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PRACTICA Nº 3 BANCO DE ENSAYO DE VENTILADORES REQUISITOS PARA LA REALIZACIÓN DE LA PRÁCTICA El alumno debe disponer de bolígrafo o lápiz, papel y calculadora en el laboratorio. Es necesario haber estudiado previamente la práctica, en especial la introducción teórica y la descripción de la instalación. DEFINICION TEORICA Un ventilador puede definirse como una máquina hidráulica impulsora para gases. Si el cambio en la densidad del gas al atravesar la máquina es pequeño (lo que ocurre cuando el salto de presión, DP , es también pequeño), la teoría desarrollada para máquinas hidráulicas será perfectamente válida para el estudio de los ventiladores. En general para saltos de presión inferiores a 300 mm.c.a. (milímetros de columna de agua) es decir unos 3000 Pa, se habla de ventiladores y para saltos de presión superiores a 1000 mm.c.a (104 Pa) se habla de turbocompresores. A su vez, pueden distinguirse ventiladores de: · Baja presión: DP ~ 100 mm.c.a · Media presión: DP entre 100 mm.c.a. y 300 mm.c.a · Alta presión: DP entre 300 mm.c.a. y 1000 mm.c.a Atendiendo a la geometría y evolución del flujo dentro de la máquina se pueden distinguir: · Ventiladores centrífugos: De flujo radial, suelen proporcionar saltos de presión medios o altos y caudales bajos. · Ventiladores axiales: Para caudales más elevados, proporcionan saltos de presión bajos. · Ventiladores tangenciales: Comparten características de las máquinas de desplazamiento positivo y de los ventiladores centrífugos. Cuando se trabaja con ventiladores es usual describir su funcionamiento en términos del salto de presión total, DP , en lugar de altura de impulsión, H, como función del caudal, Q. La relación entre el salto de presión total y la altura de impulsión es obviamente: DP = rgH Siendo: r La densidad del gas impulsado (en el caso del aire p=1,2 kg/m3 en condiciones estándar o ambiente). Las curvas características de un ventilador son similares a las de una bomba pero se suelen expresar como DP en función de Q. Su forma depende, al igual que en las bombas, fundamentalmente del tipo de máquina y del diseño del actuador o rodete. Es bastante frecuente que los ventiladores centrífugos de alta presión presenten una curva característica con forma de silla (un mínimo relativo), más típico de diseños axiales, debido al empleo de álabes curvados hacia adelante. Una curva característica de este tipo se muestra en la figura 1.

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Una parte considerable de la presión suministrada por el ventilador lo es en forma de presión dinámica, Pd, ya que la velocidad de salida del fluido suele ser más alta que en el caso de bombas. De forma que el salto de presión total proporcionado por el ventilador es la suma del salto de presión dinámica más el salto de presión estática: DP = DP + DPe En el caso de una instalación en la que el ventilador aspira de la atmósfera e impulsa aire a través de un conducto como indica la figura 2 se pueden calcular fácilmente los saltos de presión estática y dinámica.

Aplicando la ecuación de la energía entre la entrada y la salida se tiene para el incremento de Energía o presión total a través del ventilador:

∆P =

1 1 ∆ P= P+ ⍴ v 2 +⍴ gz S− P+ ⍴ v 2 +⍴ gz E 2 2

(

) (

)

Donde: El subíndice S corresponde a la salida y E a la entrada. Se debe tener en cuenta que las cotas de entrada y salida son las mismas ( zE= zS). Además, la velocidad del aire aguas arriba de la aspiración, donde se tiene la presión atmosférica, es cero. Por tanto:

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1 ∆ P=Ps−Patm+ vs ⍴ = ∆Pe + ∆Pd s 2 Como se ve, en una configuración como la indicada, el salto en la presión estática se corresponde con el valor de la presión manométrica en salida de¡ ventilador, y el salto en la presión dinámica con la energía cinética de¡ flujo a la salida (supondremos un perfil de velocidades uniforme):

∆Pd =

1 2 2 ⍴svs

∆Pe = Ps - Patm La dependencia de las presiones dinámica y estática en función M caudal tiene una forma como la Indicada en la figura 3:

Relaciones Adimensionales El análisis dimensional proporciona los siguientes parámetros adimensionales correspondientes al intercambio energético en un ventilador:

Donde:

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Q es el caudal, N es el número de vueltas por segundo a las que gira el rodete y D es el diámetro del rodete. En general, en ventiladores no se utiliza el parámetro de altura de impulsión H P ya que tampoco se utiliza la altura H como variable. Se ha incluido aquí con el único fin de remarcar la diferencia con el parámetro de (salto) de presión, P P que es el comúnmente utilizado en ventiladores. Nótese que la única diferencia entre ambos es la densidad del gas que aparece en el denominador del parámetro de presión. Respecto a este último, debe notarse que la fórmula expresada vale tanto para la presión estática, la dinámica y la total proporcionada por el ventilador. Descripción de la instalación La instalación completa de ensayo consta de un ventilador centrífugo de media presión marca SODECA modelo CMA 528 2T-1. La velocidad de accionamiento es variable mediante un convertidor de frecuencia. Las condiciones de trabajo nominales suministradas por el fabricante se detallan a continuación: -

Temperatura: 20 ºC Presión atmosférica: 760 mm Hg Densidad del aire: 1.2046 kg/m3 Velocidad de giro: 2780 rpm Caudal máximo: 0.347 m3/s Presión estática máxima: 180 mmHg Diámetro rodete: 263 mm

Figura 4: Esquema de la instalación El ventilador está conectado al resto de la instalación a través de una reducción de diámetro con la

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conducción que soporta toda la instrumentación, de diámetro interno D=153,6 mm. La disposición de la instrumentación (tubos de Pitot, manómetros etc ... ) está realizada respetando las distancias recomendadas por la normativa española UNE 100 – 212/213/214 - 90 que regula el ensayo de ventiladores. Un esquema de la instalación se muestra en la figura 4. En cuanto a los instrumentos de medida regulación y acondicionamiento M flujo, se dispone a partir de la boca M ventilador de un panel de nido de abeja de aluminio, tubo de Pitot, venturímetro, válvula de regulación de mariposa, derivación con válvula de salida, tubo de Pitot y placa de orificio. Dependiendo de las circunstancias puede ocurrir que no todos los elementos estén montados en la instalación. El único fin del panel de nido de abeja es la regularización del flujo a la salida del ventilador y disminuir, al menos en parte, la turbulencia de remolinos más grandes. REALIZACIÓN DE LA PRÁCTICA OBJETIVO: El objetivo fundamental de esta práctica consiste en obtener la curva característica del ventilador y comprobar los efectos de escala mediante el ensayo a dos velocidades de accionamiento diferentes. Para ello primero deberá familiarizarse con la instalación y los diferentes instrumentos de medida. La instrumentación de la instalación puede sufrir variaciones, pero siempre será posible realizar el ensayo utilizando un sólo tubo de Pitot con el que se puede medir el caudal y la presión estática en el conducto de impulsión. FAMILIARIZACIÓN CON LA INSTALACIÓN El alumno debe familiarizarse con todos los elementos de la instalación. En especial con los instrumentos de medida, el accionamiento eléctrico del ventilador y la válvulas de regulación. Primero realice una inspección visual identificando cada elemento y posteriormente ponga en marcha el ventilador y obtenga lecturas de cada instrumento, asegurándose de que son realistas. Posteriormente accione la válvula de regulación y vuelva a obtener lecturas comprobando que son fiables. Antes de comenzar a tomar medidas asegúrese de que entiende el funcionamiento de todos los elementos. OBTENCIÓN DE UNA CORRELACIÓN ENTRE EL CAUDAL Y LA VELOCIDAD MÁXIMA Como se ha explicado en la introducción teórica, la obtención del caudal circulante utilizando el tubo de Pitot requiere la realización de un sondeo en el conducto, es decir tomar medidas de la velocidad local en al menos 10 puntos a lo largo de un diámetro del conducto. Como se precisa medir el caudal para varios puntos de funcionamiento este procedimiento alargaría innecesariamente la práctica. Para evitar realizar un sondeo con el tubo de Pitot para cada valor del caudal se realizará primero una correlación del caudal circulante con el valor de la velocidad local en el centro del conducto. Para ello se procederá como sigue: 1. Arranque el ventilador. Cuando haya alcanzado la velocidad de régimen nominal N=2800rprn disponga la válvula de regulación completamente abierta. El funcionamiento del ventilador con la válvula de regulación totalmente abierta se conoce como funcionamiento a Escape Libre.

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2. Realice un sondeo de la velocidad en el interior del tubo de acuerdo con lo explicado en la sección anterior y vaya rellenando la tabla de la hoja de respuestas. 3. Mida también la presión dinámica en el centro del tubo X/D=0,5 y anote su valor en la tabla 4. Calcule las velocidades correspondientes y rellene la columna de la tabla. Calcule también la velocidad, 0.5, en el centro del conducto (en X/D=0,5) y anótela en el lugar correspondiente de la tabla. 5. Calcule la velocidad media vmedia. A continuación calcule la relación entre la velocidad media y la velocidad en el centro del conducto, a vmedia/  v0.5 . A partir de ahora supondremos que esa relación se mantiene constante para cualquier caudal, de forma que mediremos la velocidad en el centro del tubo y multiplicándola por a obtendremos la velocidad media, y con ella el caudal. Ensayo del ventilador a velocidad nominal Para realizar el ensayo bastará con un conjunto de puntos Presión-Caudal que posteriormente dibujaremos en una gráfica. 1. Arranque el ventilador a la velocidad de régimen nominal N=2800rpm. 2. Cierre completamente la válvula de regulación. 3. Mida la presión estática a la salida del ventilador. La lectura de la presión estática la tomará del indicador del transductor de presión o, si éste no está disponible, de la salida de presión estática del tubo de Pitot. 4. Mida la altura, h, proporcionada por el manómetro de tubo inclinado conectado al tubo de Pitot colocado en el centro del tubo, X/D=0,5 y anótela. Calcule con ella la velocidad en el centro del tubo v0.5 y anótela también. 5. Calcule el valor de la velocidad media a partir de la velocidad en el extremo del tubo como media0.5 v av 6. Realice el cálculo de la presión dinámica correspondiente a la velocidad media dentro del tubo, Pd: 7. 2 1 2 d media P rv.  En general diferirá ligeramente de la proporcionada por el tubo de Pitot, ya que éste proporciona la presión dinámica correspondiente a la velocidad en el centro del tubo. 8. Rellene el resto de las casillas de esa línea de la tabla. 9. Lleve la válvula de mariposa a una posición de mayor apertura. 10. Vaya al punto número 3, es decir mida la nueva presión estática, la velocidad, el caudal, etc. 11. Repita el proceso al menos 10 veces para obtener al menos 10 puntos de la curva de funcionamiento del ventilador. 12. Dibuje la gráfica de la curva característica. 3.4 Ensayo del ventilador a velocidad reducida N=0,8 Nnominal, Se repetirá el ensayo efectuado en el punto 3.3 tras haber ajustado la velocidad de accionamiento a 0,8 veces la velocidad nominal, es decir, N=2240 rpm. Se rellenará la tabla correspondiente y se trazará la gráfica de la curva característica en la misma gráfica que a velocidad nominal.

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3.5 Estimación de los efectos de escala Una vez obtenidas las curvas características Presión Total - Caudal para las dos velocidades de accionamiento indicadas se obtendrán para ambos casos las curvas en variables adimensionales y se dibujarán en la misma gráfica. Ambas curvas deben ser semejantes. Es decir, deben aparecer superpuestas. CUESTIONARIO Obtención de una correlación entre el caudal y la velocidad máxima

X/D 0,019

f (mm)

hd(mm.c.a.)

v (m/s)

0,077 0,153 0.217 0,361 0,639 0,783 0,847 0,923 0,981 0,5

1. 2. 3. 4.

Calcular la velocidad media y el coeficiente alfa. Dibujar el perfil de velocidades v(x/D). ¿Se parece más a un flujo laminar o turbulento? El líquido rojo del manómetro, ¿es más o menos denso que el agua? ¿Por qué se utiliza un líquido con esta propiedad?

ENSAYO DEL VENTILADOR A VELOCIDAD NOMINAL -

Rellenar la siguiente tabla y representar gráficamente P frente al caudal. Comenta dicha gráfica. ¿Se parecen los valores de la presión estática medida por el transductor con los obtenidos con el tubo de pitot? Representa ambos valores en una gráfica. En caso de que no coincidan, ¿qué aparato crees que está descalibrado? Explica tus motivos. Calcula una recta de calibración.

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-

¿Qué relación tienen las presiones y caudales medidas con los valores nominales del ventilador proporcionados por el fabricante?

ENSAYO DEL VENTILADOR A VELOCIDAD 0.8 VECES LA NOMINAL

EFECTOS DE ESCALA Rellenar la siguiente tabla y representar gráficamente Q f rente a P . Poner ambas curvas en una misma gráfica. A la vista de la gráfica, ¿se podría decir que existe semejanza al cambiar de velocidad de giro?

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PRACTICA Nº 4 CURVAS CARACTERÍSTICAS DE UN VENTILADOR CENTRÍFUGO DESCRIPCIÓN DEL EQUIPO Y ESQUEMA DE LA INSTALACIÓN 1. OBJETO DE LA PRÁCTICA -

Los ventiladores son turbomáquinas rotodinámicas equivalentes a las bombas con la particularidad de que transfieren energía a un gas, típicamente aire. Aunque los gases son fácilmente compresibles, las velocidades de paso y los cambios de presión habidos a través de los ventiladores son lo bastante pequeños como para no afectar significativamente a la densidad, y típicamente se considera que el flujo es incompresible. Al igual que las bombas centrífugas, los ventiladores centrífugos también cuentan con un rodete que aspira el gas en la dirección axial y lo impulsa radialmente hacia la salida, por la periferia del rodete, donde es recogido por la voluta y finalmente dirigido hacia la salida de la máquina. Como las bombas, la energía específica que un ventilador puede transmitir al gas es dependiente de la cantidad de gas circulante por unidad de tiempo, que en general puede oscilar desde 0 hasta un valor máximo. En el caso de los ventiladores esa energía específica se suele expresar en términos de energía por unidad de volumen de fluido, es decir, en unidades de presión, designándose a dicha energía específica como presión total del ventilador. Por otro lado también la energía consumida por el ventilador y su rendimiento son función del caudal en circulación. La representación gráfica de la presión total, la potencia consumida y el rendimiento en función del caudal constituyen las llamadas curvas características del ventilador, y suelen ser aportadas por los fabricantes en sus catálogos, pues reúnen la información básica para determinar las magnitudes de operación de la máquina en una determinada instalación.

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En esta práctica se obtendrán experimentalmente las curvas características de funcionamiento de un ventilador centrífugo convencional, en el banco de ensayo disponible en el laboratorio del Área de Mecánica de Fluidos. Los objetivos concretos de la práctica son pues: − − − −

Obtención de la curva de presión total en función del caudal. Obtención de la curva de la potencia consumida en función del caudal. Obtención de la curva de rendimiento del ventilador en función del caudal. Determinación de la velocidad específica del ventilador.

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2. INSTALACIÓN, MEDIDAS Y CÁLCULOS La práctica se llevará a cabo en un banco de ensayos para ventiladores centrífugos construido según normas British Standard. Se trata de una instalación de tipo B, caracterizada por tener la aspiración libre y la impulsión entubada. En la figura 1 se representa un esquema de este banco de ensayos. Básicamente consta de un conducto d 400 mm de diámetro en el que están dispuestos los diferentes instrumentos de medida. En la parte final del conducto se ha colocado una terminación especial con expansión escalonada, que permitiría la realización de medidas acústicas en caso necesario. L regulación del caudal se realiza mediante un cono coaxial instalado al final del conducto que puede desplazarse axialmente imponiendo pues una pérdida de carga variable, a la manera de una válvula de apertura o cierre parcial.

Figura 1. Esquema del banco de ensayos Los tramos que forman el banco de ensayos son: −Tramo 1: transición entre la sección rectangular de salida del ventilador y los conductos circulares del banco de ensayos. −Tramo 2: conducto intermedio sin ninguna función específica. −Tramo 3: enderezador de flujo normalizado, formado por ocho aletas radiales distribuidas equi-espaciadamente. −Tramos 4 y 5: conductos de medida propiamente dichos. En la sección A se mide la presión estática, y en la sección B se mide el caudal. −Tramos 6 y 7: constituyen una terminación especial con expansión escalonada (es decir, absorben la energía sonora incidente), terminación que sería necesaria para ensayos acústicos, pero que no son objeto de esta práctica. La medida del caudal Q se realiza con un tubo de Pitot situado en la sección B de la figura 1, el cual, conectado a un manómetro diferencial inclinado, permite conocer la presión dinámica en el eje del conducto, es decir, la presión equivalente a la energía cinética de la corriente en esa posición. En la figura 2 se representa la relación entre la presión dinámica en el eje del conducto (en mm de columna de agua) y el caudal circulante (en m3/s). Para la obtención de esta figura se ha aplicado el procedimiento detallado de calibración recogido en la norma British Standard. La presión total PT proporcionada por el ventilador equivale a la ganancia de energía mecánica específica a través de la máquina, es decir, se obtiene como diferencia entre la suma de la presiones estática y dinámica a la salida del ventilador y la misma suma a la entrada. Como en este caso la entrada no está entubada, sino que directamente el ventilador aspira el aire desde el local y por tanto se encuentra inicialmente en reposo y a presión atmosférica, dicha suma de presión estática y dinámica (es decir, la presión total) a la entrada del ventilador es nula. Así pues la presión total del ventilador se obtiene simplemente midiendo las presiones estática y dinámica en el conducto de salida, si bien como la sección de medida de la presión estática (sección A de la figura 1) se encuentra a cierta distancia aguas abajo (por indicación de la norma de ensayo), se ha de contemplar además las pérdidas de carga habidas entre la salida del ventilador y esa sección de medida.

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La presión estática PS se lee en un manómetro diferencial en U en mm de columna de agua, debiendo realizarse la oportuna conversión a las unidades del SI [Pa]. La presión dinámica Pd se calcula como:

Pd=

⍴ v2 2

Siendo ρla densidad del aire y v la velocidad media en el conducto, obtenida a partir del caudal y de la sección:

v=

4Q 2 πD

Figura 2. Relación entre la presión dinámica en el eje del conducto y el caudal La densidad se calcula a partir de la ecuación de los gases perfectos, midiéndose previamente la presión y temperatura atmosféricas, mediante un barómetro y un termómetro existentes en el laboratorio:

⍴=

Pat RTat

Siendo R = 287J/kg.K la constante de los gases correspondiente al aire.

Donde:

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ξ Es un coeficiente adimensional de pérdidas de carga, que es función del número de Reynolds y que según la norma British Standard mencionada se obtiene a partir de la correlación empírica:

El número de Reynolds puede calcularse mediante la siguiente expresión, donde ν es la viscosidad cinemática del aire, la cual se puede estimar en 1.5·10-5 m2/s:

La presión total se obtendrá entonces, reuniendo toda la información anterior:

La medida de la potencia se realizará mediante un vatímetro conectado a la toma de corriente, que mide el consumo realizado por el motor eléctrico. Para calcular la potencia consumida por el ventilador debe tenerse en cuenta el rendimiento del motor, que es dependiente de la carga según la curva del diagrama de la figura 3. La potencia consumida por el ventilador se calcula pues multiplicando la potencia eléctrica leída en el vatímetro por el rendimiento del motor:

El cálculo del rendimiento del ventilador puede realizarse a partir los resultados anteriores mediante la siguiente expresión:

Los valores de caudal y presión total correspondientes al punto de máximo rendimiento, QO yPTO, junto a la densidad ρ y a la velocidad de rotación ω, definen el parámetro adimensional conocido como velocidad específica NS según la ecuación (10), en la que todas las variables van referidas a unidades del sistema internacional. La velocidad específica es el principal parámetro empleado en la práctica para determinar las formas geométricas óptimas de cada máquina.

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3. TRABAJO A REALIZAR Al igual que para el caso de las curvas características de una bomba, la determinación de las curvas del ventilador de ensayo requiere poder ir imponiendo distintos valores de caudal; ello se puede conseguir maniobrando oportunamente con el cono regulador de salida, pues a cada grado de resistencia aerodinámica en el circuito le corresponde un determinado valor de caudal de aire que hace que se equilibre la energía específica suministrada por la máquina al fluido (presión total) con la energía específica demandada por el circuito. Para cada punto de funcionamiento se habrán de tomar las medidas correspondientes a los instrumentos disponibles, que son: - Presión diferencial Pd indicada por el manómetro inclinado conectado al tubo de Pitot. - Presión estática PS en el manómetro en U aguas abajo del ventilador. - Potencia activa indicada por el vatímetro. Estas medidas se consignarán en una tabla de datos según el formato del anexo. Puede considerarse suficiente la obtención de 12 ó 15 puntos de funcionamiento, procurando que den razonablemente distribuidos por todo el rango de caudales, es decir, entre 0 y el valor máximo. Para ello puede tomarse como referencia de caudal a la indicación del manómetro diferencial inclinado, teniendo en cuenta la curva de calibración de la figura 2. En el caso de que la lectura de alguna variable sea fluctuante se asignará un valor promedio dentro del rango de variación. Así mismo a cada valor se le estimará un intervalo de incertidumbre (definido como el intervalo en que la probabilidad de encontrarse el valor real sea del 95%). El ventilador se arrancará al comienzo del ensayo y se apagará tras completar las medidas, accionando los correspondientes pulsadores del cuadro de control del motor eléctrico. También se apagará el vatímetro. Posteriormente se procesarán los datos recogidos para calcular los correspondientes valores de caudal, presión total, potencia y rendimiento, según las expresiones (1) (9), los cuales formarán los puntos de cada una de las curvas características, y se evaluará la velocidad específica de la máquina (ecuación 10). 4. EXPOSICIÓN DE RESULTADOS Se elaborará un informe de la práctica que incluirá: - Datos recogidos en el banco de ensayos en las unidades pertinentes: potencia consumida [kW], presión diferencial en manómetro inclinado [mm c H 2O], presión a la salida del ventilador [mm c H2O], velocidad de accionamiento [rpm], presión atmosférica y temperatura ambiental, etc. (ver tabla del anexo). - Operaciones necesarias para la obtención de las variables de funcionamiento del ventilador: caudal [m3/s], presión total [Pa], potencia absorbida [kW] y rendimiento [%], las cuales se expondrán en una tabla de resultados.

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Figura 4. Curvas características de presión total, potencia consumida y rendimiento de un Ventilador centrífugo convencional Representación gráfica de las curvas de presión total, potencia y rendimiento en función del caudal del ventilador, manualmente sobre papel milimetrado o por medio de una hoja de cálculo de ordenador, utilizando para ello las escalas adecuadas que permitan una correcta interpretación de los resultados (a modo de ejemplo en la figura 4 se recogen las curvas características de un ventilador centrífugo típico). - Asignación de incertidumbre a los resultados obtenidos. - Velocidad específica del ventilador. - Comentarios sobre las curvas características obtenidas y su adecuación a las esperables para el tipo de máquina. ANEXO: HOJA DE TOMA DE DATOS EN LABORATORIO

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