Ventilador Centrífugo 2.0

UNIVERSIDAD NACIONAL DE INGENIERIA Facultad de Ingeniería Mecánica Departamento Académico de Ingeniería Aplicada

Integrantes:    

Chávez Miranda, Jorge Eduardo Hurtado Vela, Alexander Rafael Lancho Huarag, Víctor Darío Zevallos Portillo, Anthony Luis

20022088B 20041117D 20081108F 20081131H

Profesor: Ing. Morales Curso: Laboratorio de Ingeniería Mecánica III (MN464) Sección: A Semestre: 2012-I

OBJETIVOS Podemos resumir nuestros objetivos en:



El objetivo del ensayo es conocer la performance del ventilador centrífugo a diferentes RPM. Calcular RPM constante, diferentes valores de Q y H; nT, potencia aerodinámica y la potencia el eje.



Se hace lo mismo con otros RPM para así obtener el diagrama topográfico del ventilador



Cálculo de NQ, ψ, φ cifra de caudal para cada punto. Es posible graficar ψ vs φ para cada RPM



En el punto de mejor eficiencia encontrar los respectivos valores de ψ y Nq



Comprobar las leyes en los ventiladores

FUNDAMENTO TEORICO Ventilador Centrífugo (o de Flujo Radial) Una turbomáquina o máquina de fluidos es un dispositivo mecánico que transfiere energía de forma continua a un fluido en circulación, o bien la extrae de él. Con esto se tienen las siguientes definiciones:  

Bomba: máquina de fluidos que añade energía al fluido. Turbina: máquina que extrae energía del fluido.

Existen dos tipos básicos de turbomáquinas: de desplazamiento positivo y rotodinámicas (axiales o centrífugas). Las máquinas de desplazamiento positivo tienen unos elementos móviles que durante su movimiento, van captando el fluido de la zona de entrada en volúmenes, aproximadamente estancados, que son progresivamente transferidos a la zona de salida. Dentro de eta categoría se encuentran las bombas de pistones, de engranajes, de paletas, etc. Todas las bombas de desplazamiento positivo suministran caudal con una cierta componente periódica, debido a la intermitencia en el proceso cinemático de cierre de cavidades, traslación y expulsión del fluido. Estas máquinas suelen operar con caudales pequeños, pero con grandes presiones de servicio (en un rango de los mil bares). Las máquinas rotodinámicas, en cambio, la transferencia de energía está asociada a la inducción de una variación en el momento cinético del fluido en su paso a través de la máquina. El volumen circula continuamente a través de un rotor, en donde se encuentran los álabes que delimitan los canales de paso. Estos álabes obligan a que la corriente se deflecte, y de esta manera se varía el momento cinético respecto al eje de accionamiento realizándose, así, un trabajo. Estas máquinas suelen trabajar con un caudal elevado y a una presión de servicio pequeña. Por otro lado, las máquinas rotodinámicas pueden dividirse en máquinas axiales o máquinas centrífugas (o de flujo radial), en función a la dirección seguida del flujo. La turbomáquina a ensayar es un ventilador centrífugo, que es una máquina rotodinámica que transfiere energía a un gas, en este caso a al 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. El esquema del banco del ventilador ensayado se puede observar en la Figura 1.

Figura N° 1 Esquema del banco del ventilador ensayado

El análisis para las turbomáquinas centrífugas (también para las axiales) se hace aplicando un balance energético entre los puntos 1 y 2 ilustrados en la Figura N° 1. A continuación, se muestran las fórmulas usadas para Bombas y para Turbina.

Bomba (

)

(

)

(1.A)

Donde H: Altura de efectiva de la bomba [m aire] P2: Presión a la salida [Pa] V2: Velocidad del flujo a la salida [m/s] z2: Altura de posición a la salida [m] P1: Presión a la entrada [Pa] V1: Velocidad del flujo a la entrada [m/s] Z1: Altura de posición a la entrada [m] 3 aire: Peso específico del aire [N/m ]

Por condiciones del banco de ensayo, se tiene que ecuación:

, entonces se usará la siguiente

(1.B) Luego, definimos las siguientes ecuaciones: (2) Donde Phidráulica: Potencia Aerodinámica [W] 3 Q: Caudal [m /s]

(3) Donde BHP: Potencia al eje [W] F: Fuerza [N] b: Brazo [m] N: Velocidad de giro [RPM]

(4) Donde : Eficiencia de la Bomba

Tubo de Pitot El tubo de Pitot, es utilizado para calcular la presión total, también llamada presión de estancamiento, presión remanente o presión de remanso (suma de la presión estática y de la presión dinámica). Fue inventado por el ingeniero Henri Pitot en 1732 y fue modificado en el siglo XIX por Henry Darcy. Se utiliza mucho para medir la velocidad del viento en aparatos aéreos y para medir las velocidades de aire y gases en aplicaciones industriales. Los tubos de Pitot miden la velocidad en un punto dado de la corriente de flujo y no la media de la velocidad del viento.

Figura N° 2 Tubo de Pitot

El tubo de Pitot usado permite hallar la presión dinámica (ver Figura N° 2), según la siguiente ecuación: (5)

Curvas de Isoeficiencia Si es posible probar una bomba para diferentes velocidades, la relación H/Q para cada velocidad puede ser graficada como se muestra en la Figura N° 3. Si los valores de eficiencia para los puntos probados se ubican en las curvas H/Q, entonces las líneas de igual eficiencia se pueden dibujar como se observa y son conocidas como curvas de isoeficiencia. De esta manera se muestra en un sólo diagrama la relación entre cabeza, descarga, velocidad y eficiencia.

Figura N° 3 Curvas de Isoeficiencia

Equipos Banco de Ensayo Ventilador Centrífugo  Motor eléctrico. Potencia: 2 HP. Velocidad de giro: 1800 RPM.  Sistema de Transmisión, permite cambiar velocidades de de 450 a 4500 RPM.  Ventilador centrífugo.  Ducto de 12’’ de diámetro.  Tubo de Pitot variable a lo largo del diámetro del ducto.  Manómetro diferencial (conectado al Tubo de Pitot) [Líquido: Agua (H2O)].  Dinamómetro Colgante (División de 0 – 6 libras).  Tacómetro digital.  Regulador de caudal. Wincha métrica. Manómetro diferencial inclinado [Líquido: Agua (H2O)]

Procedimiento 1. Se calibran los manómetros y el dinamómetro. 2. Se instala el manómetro diferencial inclinado en la succión y en la descarga del ventilador centrífugo. 3. Se tomará la presión dinámica basándose en la máxima velocidad del fluido a la mitad del diámetro del ducto con el manómetro diferencial instalado en el tubo de Pitot. 4. Se prende el motor. 5. Se gradúa la velocidad de rotación del eje del ventilador hasta 1400 RPM. 6. Se abre hasta su máxima posición el regulador de caudal. 7. Se toman los datos en el manómetro diferencial inclinado, en el dinamómetro y en el tacómetro. 8. Se toma la presión dinámica con el manómetro diferencial conectado al tubo de Pitot. 9. Se cierra el regulador de caudal hasta una posición referencial. 10. Se repite los puntos del 7 al 9 hasta que el regulador de caudal esté totalmente abierto. 11. Se repite del punto 5 al 10 para 1800 RPM y 2200 RPM.

CALCULOS Y RESULTADOS Datos obtenidos Se trabajó a las siguientes condiciones y con los siguientes datos: Tabla N° 1 Datos del Banco y Condiciones ambientales

Datos y condiciones del banco de ensayo Definición Valor Unidad Temperatura 21 °C Pbarométrica 744 mm Hg ρaire Diámetro Brazo Kturbulento Z1 Z2

∆Pestatica

#

in H2O 1 2 3 4 5

kg /m m m cm cm

F Pa

0,39 0,40 0,45 0,53 1,00

3

1,1753 0,3048 0,254 0,82 95,8 112

97,05 99,54 111,98 131,89 248,84

Pdinamica N

onzas

14 16 16,5 16,5 16,5

3,8922 4,4482 4,5872 4,5872 4,5872

in H2O

m H2O

0,172 0,155 0,158 0,131 0,095

0,0044 0,0039 0,0040 0,0033 0,0024

Tabla N° 2 Datos obtenidos para el ventilador centrífugo funcionando con 1400 RPM

∆Pestatica

#

in H2O 1 2 3 4 5

F Pa

0,62 0,62 0,65 0,87 1,6

154,28 154,28 161,75 216,49 398,14

Pdinamica N

onzas

22 21,5 22 22 22

6,1163 5,9773 6,1163 6,1163 6,1163

in H2O

m H2O

0,285 0,253 0,243 0,25 0,197

0,0072 0,0064 0,0062 0,0064 0,0050

Tabla N° 3 Datos obtenidos para el ventilador centrífugo funcionando con 1800 RPM

∆Pestatica

#

in H2O 1 2 3 4 5

0,9 0,94 0,99 1,3 2,55

F Pa

223,96 233,91 246,35 323,49 634,54

onzas

30 30 30 30 30,5

Pdinamica N

8,3404 8,3404 8,3404 8,3404 8,4794

in H2O

0,498 0,48 0,395 0,322 0,182

Tabla N° 4 Datos obtenidos para el ventilador centrífugo funcionando con 2200 RPM

m H2O

0,0126 0,0122 0,0100 0,0082 0,0046

Cálculos En primer lugar, se tuvo que hallar la velocidad media en el ducto. Con esta velocidad de halla el caudal. Se usaron las siguientes fórmulas: (6) Donde: Cmedio: Velocidad media en el ducto [m/s] K: constante de corrección (Ver tabla N°1) Cmax: Velocidad máxima [m/s]

(7) Donde: 3 Q: Caudal [m /s] 2 A: Área del ducto [m ]

H m aire

# 1 2 3 4 5

8,58 8,79 9,87 11,60 21,74

Q 3 m /s

BHP W

0,5110 0,4851 0,4897 0,4459 0,3798

144,94 165,64 170,82 170,82 170,82

Paerodinamica W

50,54 49,19 55,76 59,65 95,21

Eficiencia (ɳ%)

34,87 29,69 32,64 34,92 55,73

Tabla N° 5 Resultados obtenidos a 1400 RPM

H m aire

# 1 2 3 4 5

13,54 13,54 14,19 18,94 34,69

Q 3 m /s

BHP W

0,6578 0,6197 0,6074 0,6160 0,5469

292,84 286,18 292,84 292,84 292,84

Paerodinamica W

102,71 96,77 99,37 134,52 218,75

Eficiencia (ɳ%)

35,07 33,81 33,93 45,94 74,70

Tabla N° 6 Resultados obtenidos a 1800 RPM

H m aire

# 1 2 3 4 5

19,59 20,45 21,53 28,22 55,20

Q 3 m /s

BHP W

0,8695 0,8536 0,7744 0,6991 0,5256

488,06 488,06 488,06 488,06 496,19

Paerodinamica W

196,35 201,26 192,21 227,47 334,51

Tabla N° 7 Resultados obtenidos a 2200 RPM

Eficiencia (ɳ%)

40,23 41,24 39,38 46,61 67,42

Altura vs Caudal para el Ventilador Centrífugo Altura (H) [m aire] 60.0

Eficiencia [%] 100% 90%

50.0

80% 70%

40.0

60%

30.0

50% 40%

20.0

30% 20%

10.0

10%

0.0

0%

0.00 0.05 0.10 0.15 0.20 0.25 0.30 0.35 0.40 0.45 0.50 0.55 0.60 0.65 0.70 0.75 0.80 0.85 0.90 0.95 1.00 1.05 1.10 Altura a 1400 RPM Eficiencia a 1400 RPM

Caudal (Q) [m3/s] Altura a 1800 RPM

Altura a 2200 RPM

Efiencia a 1800 RPM

Eficiencia a 2200 RPM

Altura vs Caudal para el Ventilador Centrífugo Altura (H) [m aire] 60.0

Potencia [W] 800 700

50.0 600

40.0 500

30.0

400 300

20.0 200

10.0 100

0.0

0

0.00 0.05 0.10 0.15 0.20 0.25 0.30 0.35 0.40 0.45 0.50 0.55 0.60 0.65 0.70 0.75 0.80 0.85 0.90 0.95 1.00 1.05 1.10

Caudal (Q) [m3/s]

Altura a 1400 RPM

Altura a 1800 RPM

Altura a 2200 RPM

P aerodinamica a 1400 RPM

P aerodinamica a 1800 RPM

P aerodinamica a 2200 RPM

OBSERVACIONES El motor eléctrico comienza a traquetear a partir de las 2000 RPM. No se tomo los datos del ventilador centrifugo a Q=0.

CONCLUSIONES Se comprueba la tendencia de las curvas características del ventilador centrífugo. A mayor RPM, se tendrá una eficiencia más alta. Se obtiene gráficas correspondientes a las turbomáquinas centrífugas. Las eficiencias máximas (método gráfico) para los ensayos son:   

Ventilador centrífugo a 1400 RPM: 50% Ventilador centrífugo a 1800 RPM: 68% Ventilador centrífugo a 2200 RPM: 60%

RECOMENDACIONES Usar un manómetro digital para el cálculo de las presiones dinámicas.

BIBLIOGRAFIA  

 

Apuntes de clases. ARGÜELLES, Katia; PARRONDO, Jorge y FERNANDEZ, Jesús (2006) PRACTICAS DE MECANICA DE FLUIDOS EN LA UNIVERSIDAD TECNICA SUPERIOR DE INGENIEROS DE MINAS. Oviedo, España: Universidad de Oviedo. “Turbina” y “Bomba”. En el Diccionario de la lengua española. Fuente electrónica [en línea]. Madrid, España: Real Academia Española. CURVAS CARACTERISTICAS DE UN VENTILADOR CENTRÍFUGO. Oviedo, España: Universidad de Oviedo.