Ventilador centrifugo

UNIVERSIDAD NACIONAL DE INGENIERIA FACULTAD DE INGENIERIA MECANICA

TURBOMAQUINAS I (MN-232)

LABORATORIO

TEMA PROFESOR RESPONSABLES SECCION

: : : :

VENTILADOR CENTRIFUGO ING. MALDONADO RIVERA ARTURO Loayza León Roberto Carlos A LIMA, NOVIEMBRE 2006

Banco de ensayo de ventiladores 1. Objetivos

• •

Determinar las curvas características del ventilador y sus parámetros adimensionales Familiarizarse con el equipo y su comportamiento

2. Fundamento Teórico 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, ΔP, 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: Δ P ~ 100 mm.c.a Media presión: ΔP entre 100 mm.c.a. y 300 mm.c.a Alta presión: ΔP 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, ΔP , 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: cP= ρ gH siendo ρ la densidad del gas impulsado (en el caso del aire p=1,2 Kgr/m3 en condiciones estándar o ambiente). Las curvas características de un ventilador son similares a las de una bomba pero se suelen expresar como ΔP 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 alabes curvados hacia adelante. Una curva característica de este tipo se muestra en la figura 1.

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: Δ P= Δ P d +Δ Ps

n 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 se pueden calcular fácilmente los saltos de presión estática y dinámica.

Salida

Entrada

Aplicando la ecuación de la energía entre la entrada y la salida se tiene para el incremento de energía a través del ventilador: Hutil = (P /γ + v2/2g + Z)s – (P /γ + v2/2g + Z) e 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 Relaciones Adimensionales El análisis dimensional proporciona los siguientes parámetros adimensionales correspondientes al intercambio energético en un ventilador: cifra de presión =gH / N2D2 cifra de caudal =Q / D3N velocidad especifica de caudal =NQ1/2 / H3/4 donde • • •

Q es el caudal. N es el número de vueltas por segundo a las que gira el rodete. D es el diámetro del rodete.

MATERIALES Y EQUIPO • • • •

Un ventilador centrífugo Cinta métrica (wincha) Manómetro de columna inclinada Llaves de tuercas

• •

Multimanometro de columna de agua Dinamómetro

PROCEDIMIENTO •

• •

• • • •

Posicionamos el manómetro inclinado para que nos entregue cambio de presión estática entre los puntos de entrada y salida. En forma similar colocáremos el multimanometro en la tobera (A partir de esta lectura de presión determinaremos el caudal Encendemos el ventilador con la válvula cerrada Tomamos las lecturas de los manómetros y del dinamómetro Reducimos la salida del aire mediante la válvula en nuestra experiencia se disminuyo 1cm por cada cambio de punto de esta forma obtuvimos 7 puntos Apagamos el ventilador Cambiamos el rodete del ventilador, se trabajo con tres diferentes actuadores de 8 12 y 16alabes respectivamente Se realizaran los 4 primeros pasos para los rotores faltantes

Multimanometro

RODETES DE 8 y 16 ALABES

CALCULOS Y RESULTADOS Condiciones atmosféricas: Presión Barométrica: 754.6 mmhg Temperatura de bulbo seco: 640F Temperatura de bulbo húmedo: 690F  Humedad relativa: 95%   

Calculo de la densidad  Tomaremos al aire como un gas idea PV=mRT (Ec general de los gases) m / V= ρ = P / RT 754.6mmgh 0.287 KJ 640F Kg*K

= 1.205Kg/m3

Calculo del caudal(Tomaremos como ejemplo de calculo e punto para Z=8)  Aplicaremos la ecuación de Bernoulli entre los puntos “0” y “1”

50mm

0

1

P1/γ +v21/2g = 0 Despejando v21 =2 P1/ρ P1= 0.038mH20*9810N/m3=372.78 Pa v21=2 *372.78 Pa /1.205Kg/m3

→

V1=24.8741m/s

Q= Cd* V1*A1 A1=π*D2/4 = π*0.052/4=0.0019635m2 Q=0.98*24.8741m/s*0.0019635m2 = 0.047863 m3/s Calculo de la altura útil

 41.5cm

II

52.5cm

I

Bernoulli entre I y II H útil = (P /γ + C2/2g + Z) I – (P /γ + C2/2g + Z) II *Sabemos por manométrica (P /γ + Z) I – (P /γ + Z) II = ∆h (ρaire – ρH20 )/ ρaire H est =∆h (ρH20 – ρaire)/ ρaire ∆h =1.25 in H20 (0.0254 m H20) 1 in H20 ∆h = 0.3175 m H20 H est =26.3485 (1000–1.205)/1.205 =26.3167977 m de aire *Calculo de altura dinámica A II = π*D II 2/4 =0.01370523 m2 A I = π*D I 2/4=0.0219335 m2 H util = C I 2/2g – C II 2/2g = 0.03988679m Entonces la altura útil H util = H est + H din =26.6957223 m *Calculo

de la potencia hidráulica

Ph= ρgQH =1.205*9.81*0.047863*26.6957223 = 15.1043655 watts

*Calculo de la Potencia al eje

Peje = F*b*N*π/30 F=3/16 * 4.44822N =0.83402N b = 17.7 cm N = 1780 RPM Peje = 27.6418877 watts *Calculo de la eficiencia Ntotal = Ph / Peje =15.104/27.64 * 100% =54.64 % Tabulando nuestros datos Alabe Z=8

Punto 0 1 2 3 4 5 6 7 alta 0 1 2 3 4 5 6 7

P tobera (cm H20) 0.4 3.8 5.4 7 7.4 7.6 7.8 7.8

P ventilador(pulg de h2O) 1.1 1.25 1.27 1.29 1.3 1.31 1.31 1.31

fuerza(lb) 0.0625 0.1875 0.25 0.25 0.25 0.3125 0.3125 0.3125

Q(m3/s) 0.01552898 0.04786353 0.05705712 0.06496239 0.06679267 0.06768926 0.06857412 0.06857412

Hutil(m ) 23.1986688 26.6957223 27.2763382 27.8569541 28.1073753 28.3378531 28.3577965 28.3577965

Peje(watts) 9.21396257 27.6418877 36.8558503 36.8558503 36.8558503 46.0698128 46.0698128 46.0698128

Ph(watts) 4.25855317 15.1043655 18.3972098 21.3920134 22.1924457 22.6747629 22.9873441 22.9873441

ntotal % 46.218477 54.643032 49.9166608 58.0423821 60.2141737 49.2182657 49.8967603 49.8967603

2.6 13.4 22.9 26.7 28.4 29.3 29.2 29.4

4.66 5.14 5.19 5.19 5.2 5.2 5.2 5.2

0.5625 0.75 0.9375 1 1 1 1.0625 1.0625

0.03959129 0.08988047 0.11749806 0.12687282 0.13084952 0.13290667 0.13267967 0.13313328

98.3682861 109.55088 111.550863 111.929788 112.309841 112.399586 112.389614 112.409558

165.385452 220.513936 275.64242 294.018581 294.018581 294.018581 312.394742 312.394742

46.0374004 116.395793 154.938622 167.868931 173.71847 176.590581 176.273335 176.907367

27.8364269 52.7838717 56.2100066 57.0946674 59.0841808 60.0610277 56.426473 56.6294316

Alabe Z=16

Punto 0 1 2 3 4 5 6 7 ALTA

P tobera (cm H20) 0.4 4 6.4 8.4 9 9.4 9.6 9.8

P ventilador(pulg de h2O) 0.81 1.17 1.39 1.5 1.6 1.64 1.64 1.65

fuerza(lb) 0.1875 0.25 0.3125 0.3125 0.375 0.375 0.375 0.375

Q(m3/s) 0.01552894 0.04910683 0.06211578 0.07116256 0.07366025 0.07527935 0.07607598 0.07686435

Hutil(m) 17.0931715 25.0313887 29.9024648 32.417776 34.5829497 35.4649739 35.4849172 35.7153949

Peje(watts) 27.6418877 36.8558503 46.0698128 46.0698128 55.2837754 55.2837754 55.2837754 55.2837754

Ph(watts) 3.13776665 14.5305796 21.956594 27.2703591 30.11281 31.5596056 31.9115139 32.4516281

ntotal % 11.3514919 39.4254357 47.6593947 59.193553 54.4695253 57.08656 57.723109 58.7000939

2.6 9.6 18 23.2 26.6 26.4 27 27

4.95 4.7 4.76 4.75 4.74 4.72 4.74 4.74

0.1875 0.6875 0.875 0.875 0.9375 0.9375 0.9375 0.9375

0.0395912 0.07607598 0.10417133 0.11826492 0.12663471 0.12615774 0.1275833 0.1275833

104.473782 99.908438 102.009263 102.317255 102.445756 102.004744 102.485643 102.485643

55.1284839 202.137774 257.266258 257.266258 275.64242 275.64242 275.64242 275.64242

48.8947226 89.8474554 125.615681 143.041108 153.356712 152.121406 154.565623 154.565623

88.6923041 44.4486221 48.827111 55.6004155 55.636107 55.1879519 56.0746866 56.0746866

P tobera (cm H20) 0 3.2 5.1 6 6.4 6.8 6.8 6.8

P ventilador(pulg de h2O) 1.1 1.15 1.2 1.2 1.2 1.2 1.2 1.17

fuerza(lb) 0.1875 0.25 0.3125 0.3125 0.3125 0.375 0.375 0.5625

Q(m3/s) 0 0.04392259 0.05544955 0.06014348 0.06211592 0.06402763 0.06402763 0.06402763

Hutil(m ) 23.158782 24.5305482 25.7726824 25.8624277 25.9023145 25.9422013 25.9422013 25.3105982

Peje(watts) 27.6418877 36.8558503 46.0698128 46.0698128 46.0698128 55.2837754 55.2837754 82.9256631

Ph(watts 0 12.7365339 16.89327 18.3871292 19.0194333 19.6349724 19.6349724 19.1569285

ntotal % 0 34.5576994 36.6688488 39.9114477 41.2839387 35.5166995 35.5166995 23.1013269

3.2 13.4 25.2 33.2 35.4 36 37.4 38

3.4 4.4 5.49 6.2 6.4 6.55 6.6 6.65

0.75 1.0625 0.9375 1.5 1.5 1.5 1.5625 1.5625

0.04392259 0.08988047 0.12325746 0.14147575 0.14608802 0.14732085 0.1501581 0.15135778

71.9007841 93.9713356 118.096244 133.841921 138.271986 141.489831 142.682107 143.794609

220.513936 312.394742 275.64242 441.027871 441.027871 441.027871 459.404033 459.404033

37.3316882 99.8428138 172.070083 223.836144 238.783792 246.402718 253.264506 257.278454

16.9294009 31.9604655 62.4251097 50.7532876 54.1425627 55.8701011 55.1289253 56.0026546

Z=16

Punto 0 1 2 3 4 5 6 7 ALTA

Conclusiones y sugerencias •

Notamos que nuestra mayor eficiencia se da en el alabe de 12 con una eficiencia de 62% trabajando con 3550 RPM

•

En el punto O se preveía que no existiera caudal circundante pero en algunos alabes el multimanometro nos arrojo valores si bien pequeños significantes para el calculo con uno de estos se logro la que se menciono en el punto anterior eficiencia de 88%

•

Se tiene una eficiencia de 88% en el punto 0 trabajando con 3550RPM este punto se descartara debido a que esta eficiencia se encuentra por encima de un rango aceptable, posiblemente se obtuvo de una mala toma de datos.

•

Podemos visualizar de las graficas que al aumentar Las RPM también aumentaremos nuestra eficiencia

•

Una posibilidad seria la de poder trabajar el equipo a diferentes RPM para de esta forma tener una mayor población de datos

•

En el calculo de la altura útil se observa que la altura dinámica es muy pequeña en comparación con la altura estática pero no debe despreciarse por que esta afecta nuestro calculo de la eficiencia