ÍNDICE INTRODUCCIÓN .................................................................................................... 3 OBJETIVOS ............................................................................................................ 4 Objetivo General .................................................................................................. 4 Objetivos Específicos ........................................................................................... 4 MARCO TEÓRICO.................................................................................................. 5 Ventiladores Centrífugos ...................................................................................... 5 CAPÍTULO I ............................................................................................................ 9 CÁLCULOS PARA EL DISEÑO DE UN VENTILADOR CENTRÍFUGO .................. 9 1. Calculo de la potencia del ventilador................................................................ 9 Densidad del aire ............................................................................................. 9 Altura (H) en metro por columna de aire ......................................................... 10 Potencia del motor eléctrico ............................................................................ 11 2. Selección del motor eléctrico que accionara el ventilador .............................. 11 Selección del Número de Revoluciones 3. Número específico de caudal ( Velocidad de salida del rotor Diámetro exterior
...................................................... 11
y Cifra de presión
............................ 12
................................................................... 13
.................................................................................... 13
4. Diseño del rodete ........................................................................................... 14 Diámetro Interior
.................................................................................... 14
Número de alabes
.................................................................................... 15
Corrección del diámetro interior ( Espesores periféricos
) .............................................................. 15 .................................................................. 15
Paso en la entrada y salida
............................................................... 16
5. Trazado del triángulo de velocidades............................................................. 16 Velocidades tangenciales en la entrada y salida ............................................ 16 Velocidad meridiana Velocidad relativa (
.............................................................................. 17 .................................................................................... 18
1
Calculo de
............................................................................................... 18
Calculo de
.................................................................................................. 18
Calculo de
................................................................................................. 19
6. Calculo del ancho del alabe ........................................................................... 19 7. Transferencia de energía ............................................................................... 19 8. Calculo del coeficiente de resbalamiento ....................................................... 20 9. Calculo de la altura del rotor .......................................................................... 20 10. Calculo de la altura útil del ventilador........................................................... 21 11. Variación de la velocidad por efecto de resbalamiento ................................ 21 12. Triángulo de velocidad en la zona de baja presión por efectos del espesor 22 13. Triángulo de velocidad en la zona de alta presión ....................................... 23 14. Angulo de desviación por resbalamiento ..................................................... 24 CAPÍTULO II ......................................................................................................... 25 DISEÑO DE LOS ALABES DEL VENTILADOR .................................................... 25 1. Trazado del alabe de un motor radial (bomba) por el método de los puntos . 25 CAPÍTULO III ........................................................................................................ 28 DISEÑO DE LA CARCASA DE UN VENTILADOR CENTRÍFUGO ...................... 28 1. Calculo de “r”.................................................................................................. 28 2. Calculo del ángulo de inicio del difusor .......................................................... 29 3. Calculo de las longitudes A y B ...................................................................... 29 CAPITULO IV ........................................................................................................ 31 CALCULO DE LAS PERDIDAS ............................................................................ 31 Pérdidas por fricción en el rodete ...................................................................... 31 Pérdidas por choque .......................................................................................... 32 Pérdidas en el disco ........................................................................................... 33 Pérdidas en la entrada del rodete ...................................................................... 34 Pérdidas por expansión ..................................................................................... 34 Pérdidas por espiral ........................................................................................... 34 CONCLUSIÓN ...................................................................................................... 35 REFERENCIAS ..................................................................................................... 35 ANEXO .................................................................................................................. 36 2
INTRODUCCIÓN
La necesidad de crear flujos de aire ya sea para la industria mecánica o alguna rama afín nos genera el problema de diseñar adecuadamente una máquina que sea capaz de satisfacer esas necesidades. Al mismo tiempo que aplicamos los conceptos teóricos y vamos materializándolos, vemos que es necesario realizar ciertas conjeturas o suposiciones, solo para confirmarlas conforme se lleva adelante el proyecto. Es de esta manera que este trabajo de investigación busca dar respuesta a un problema propuesto y al mismo tiempo demostrar que cuando el conocimiento científico no viene acompañado de realizaciones prácticas, somos conducidos a un sinfín de interrogantes que con habilidad intentaremos sortear.
3
OBJETIVOS Objetivo General
Diseñar adecuadamente un ventilador centrífugo para caudal y presión asignados
Objetivos Específicos
Calcular correctamente los datos de las componentes de la velocidad tanto al ingreso como a la salida del rodete.
Aplicar dichos datos para diseñar la geometría de los álabes y poder elaborar los cálculos correspondientes.
Seleccionar un motor adecuado que satisfaga las necesidades de nuestro ventilador.
Asumir razonablemente los valores de las eficiencias, preestablecidas dentro de un rango.
4
MARCO TEÓRICO Ventiladores 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 1. 2. 3.
ventiladores tienen tres tipos básicos de rodetes: Álabes curvados hacia adelante, Álabes rectos, Álabes inclinados hacia atrás/curvados hacia atrás.
Los ventiladores de álabes curvados hacia adelante (también se llaman de jaula de ardilla) tienen una hélice o rodete con las álabes curvadas 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. 5
Los 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".
Fig. Triángulos de velocidades a la salida para los distintos rodetes centrífugos
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. Los ventiladores centrífugos de álabes curvados hacia atrás tienen un rodete con las 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 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 6
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:
Álabes 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. Álabes de ala portante: Las álabes de ala portante permiten mayores rendimientos y una operación más silenciosa. Los álabes huecos se erosionan rápidamente y se pueden llenar de líquido si la humedad es alta, por ello su uso queda limitado a aplicaciones en las que se manipule aire limpio.
Punto de trabajo de un ventilador Para conocer el punto en que trabajará un ventilador, una vez determinada la pérdida de carga que debe vencer el mismo, no hay más que, sobre el eje de ordenadas, señalar la pérdida de carga en columna de agua.
7
Si se dispone de la característica resistente del sistema, se puede encontrar de forma fácil el punto de trabajo de un ventilador acoplado al mismo, al superponer las curvas características del ventilador y resistente del conducto. Si se desea construir la característica resistente del sistema se debe partir del hecho que en las instalaciones de ventilación la pérdida de carga que se origina varía proporcionalmente al cuadrado del caudal que fluye a través de la canalización. Para conocer el punto de funcionamiento de un ventilador es indispensable disponer de las curvas características de los ventiladores susceptibles de ser instalados, para cualquier cálculo e instalación que se haga. Las curvas deben estar avaladas por el fabricante, quien las garantizará haciendo referencia a la norma y disposición adoptada para su determinación.
8
CAPÍTULO I
CÁLCULOS PARA EL DISEÑO DE UN VENTILADOR CENTRÍFUGO
Datos: Condiciones ambientales: Presión y temperatura atmosférica del callao durante el mes de mayo por la noche:
1. Calculo de la potencia del ventilador
Densidad del aire
Dónde:
9
Altura (H) en metro por columna de aire
Reemplazando:
Potencia del motor eléctrico
Para un rango establecido de Eficiencias en Ventiladores Centrífugos , asumiremos un valor arbitrario.
La potencia al eje de una maquina hidráulica se calcula de la siguiente manera:
10
Reemplazando datos:
2. Selección del motor eléctrico que accionara el ventilador
Según Tyler Hick se debe de considerar para el motor eléctrico una potencia mayor que la demandada por el ventilador. Por ello el motor seleccionado deberá tener una potencia cercana a 1.2 veces la potencia del ventilador:
Selección del Número de Revoluciones Con la potencia calculada anteriormente, nos vamos al catálogo de motores asíncronos, trifásicos con tipo de jaula de ardilla,fabricante: DELCROSA que puede ser de dos polos como también de cuatro polos. Pero esta vez elegimos la de 4polos, ya más adelante al calcular el Número Específico de caudal ( , este cumple para un Ventilador Centrifugo.
11
Seleccionamos un motor de 4 polos: N: 1720RPM TIPO: NV 90L Potencia: 3HP Peso Aproximado: 24kg Tipo de Acoplamiento: Directo Frecuencia: 60 Hz
Peso 24 kg
Rendimiento 50% 75% 81.0 82.5
Potencia Carcasa RPM 3 HP 90L 1720
100% 83.0
De donde obtenemos:
3. Número específico de caudal (
y Cifra de presión
Sabemos que: √
Reemplazando datos: √
√
12
La tabla siguiente con un rango de valores específicos, que cumple para un ventilador centrifugo. De esta tabla, interpolando hallamos la cifra de presión 20 1.1
25 1.08
30 1.05
35 1.01
40 0.97
45 0.93
50 0.90
Interpolando:
Velocidad de salida del rotor
De la Cifra de Presión:
Despejando tenemos que: √ Reemplazando datos: √
Diámetro exterior
De la velocidad de salida: Despejando Reemplazando:
13
4. Diseño del rodete
Previamente tendremos que elegir los ángulos de los alabes: Se sabe que:
Convenientemente escogemos:
Diámetro Interior
De la relación siguiente para rotores radiales: √
Recordamos que la Cifra de Caudal (
Reemplazando:
De la ecuación anterior: √
14
Número de alabes Se utilizara la siguiente relación: (
)
Dónde:
Además: Reemplazando: (
Corrección del diámetro interior (
)
)
De la ecuación anterior, donde tenemos como incógnita
(
:
)
Espesores periféricos Considerando
15
Paso en la entrada y salida
5. Trazado del triángulo de velocidades
Velocidades tangenciales en la entrada y salida Velocidades tangenciales en la entrada:
16
Velocidades tangenciales en la salida:
Velocidad meridiana
Se considerara: Además se sabe que:
De la geometría del triángulo 1
17
Velocidad relativa ( √ √
De la geometría del segundo triangulo:
Calculo de
Calculo de √ √
18
Calculo de
6. Calculo del ancho del alabe Asumimos:
Para i=
Para i=2
7. Transferencia de energía
19
8. Calculo del coeficiente de resbalamiento
Si
Usaremos
Reemplazando:
Calculo de
Finalmente
9. Calculo de la altura del rotor
20
10. Calculo de la altura útil del ventilador
Pero sabemos que:
Asumimos: 5
Despejando
:
Luego la altura útil será:
11. Variación de la velocidad por efecto de resbalamiento Anteriormente calculamos ;
;
;
21
12. Triángulo de velocidad en la zona de baja presión por efectos del espesor
Del triángulo:
√
√
22
13. Triángulo de velocidad en la zona de alta presión
De los triángulos de velocidades se tiene que:
23
√
√
Pero sabemos que √
√
14. Angulo de desviación por resbalamiento
24
CAPÍTULO II
DISEÑO DE LOS ALABES DEL VENTILADOR
1. Trazado del alabe de un motor radial (bomba) por el método de los puntos Si se considera que paria entre los valores limites y en función del radio (en ventiladores se considera una variación lineal), se podrá obtener el alabe por segmentos, llevando pequeños valores de , trazando por cada uno de ellos un elemento de alabe que forme el correspondiente ángulo . Este es un proceso de integración. Esta integración es mejor efectuarla por cálculo, de la siguiente manera: Se determina cada ángulo central y a cada valor de
Sea En él en es
̂
a partir del radio fijo ̅̅̅̅
, cuyo lado ̅̅̅̅ es el arco correspondiente al , se tiene:
, cuyo ángulo
̅̅̅̅ Por otro lado: ̅̅̅̅
̅̅̅̅̅
25
Donde
De donde
Integrando entre
y
: ∫ (En radianes)
En grados sexagesimales ∫ Se obtiene las coordenadas del alabe:
en
Datos calculados anteriormente:
Para ventiladores se prefiere variación lineal de
con
26
Tabulando valores hallados con las ecuaciones anteriores:
0.15 0.159 0.169 0.179 0.189 0.199 0.209 0.219 0.229 0.239 0.249 0.259 0.269 0.279 0.283
30 32.231 34.462 36.693 38.924 41.155 43.386 45.618 47.848 50.08 52.311 54.542 56.773 59.004 59.897
Tramos los radios los :
0.5773 0.6305 0.6863 0.7452 0.8076 0.874 0.9452 1.0218 1.1047 1.1951 1.2944 1.4041 1.5132 1.6645 1.7249
11.6255 9.9751 8.6218 8.1402 7.0997 5.7495 5.0621 4.4688 3.9529 3.501 3.1026 2.7498 2.4567 2.1533 2.0485
0 0.108 0.0929 0.0838 0.0762 0.0642 0.054 0.0476 0.0421 0.0373 0.033 0.0293 0.026 0.023 0.021
respectos a su ángulo respectivo
0 0.108 0.2009 0.2847 0.3609 0.4251 0.4791 0.5267 0.5688 0.6061 0.6391 0.6684 0.6944 0.7174 0.7384
0 6.188 11.51 16.312 20.678 24.356 27.45 30.178 32.59 34.727 36.618 38.296 39.786 41.104 42.307
y el rotor completo con
27
CAPÍTULO III
DISEÑO DE LA CARCASA DE UN VENTILADOR CENTRÍFUGO
1. Calculo de “r” …………. (I) Para
optamos por: :
Asumimos:
28
(
De (I) despejamos
)
:
,
Tabulación de
, para diferentes ángulos:
295.687
308.453
321.77
335.662
350.153
365.27
381.04
397.491
414.652
432.553
451.228
470.709
491.031
512.23
514.344
557.414
581.479
606.583
2. Calculo del ángulo de inicio del difusor
Se sabe que:
( )
(
)
29
3. Calculo de las longitudes A y B
Para la espiral se recomienda:
Por lo tanto asumimos:
Como asumimos
, se obtiene:
Trazado de radios y ángulo para la carcaza
30
CAPITULO IV
CALCULO DE LAS PERDIDAS
Pérdidas por fricción en el rodete
De los cálculos anteriores sabemos que:
Para el cálculo de
:
Asumimos: En el rotor abierto: (
) 31
Calculo de
Calculo de
:
:
Sabemos que:
Remplazando valores en
:
Remplazando valores en
:
Remplazando valores en
:
Pérdidas por choque (
) 32
Para cálculo de pérdidas por choque: Asumimos: De los cálculos anteriores tenemos:
Calculo del caudal de diseño
:
Despejando el caudal:
La potencia seleccionada anteriormente del catálogo de motores asíncronos trifásicos es:
Remplazando tenemos:
Remplazando valores en
: (
)
Pérdidas en el disco
Conocemos: 33
Remplazamos valores:
Pérdidas en la entrada del rodete
–
Para cálculo de pérdidas en la entrada del rodete Asumimos: Sabemos que: Remplazando valores, tenemos:
Pérdidas por expansión (
)
Conocemos: Remplazando valores tenemos: (
)
34
Pérdidas por espiral
Para cálculo de pérdidas por espiral tenemos:
–
Asumimos: Conocemos: Remplazando valores tenemos:
35
CAPITULO V
MONTAJE DEL VENTILADOR
Luego de haber calculado las simensiones necearias para l afabricacion de 1. CARCASA
36
2. MOTOR de 4 polos
3. SOPORTE DE la carcas y el motor
37
38
CARCASA DE LAMINA 1
39
CARCASA DE LAMINA 2
CARCASA DE LAMINA 3
40
CARCASA LATERAL DEL MOTOR
41
CARCASA LATERAL DE SUCCION
PLATINA DE REFUERSO
42
43
camisa
44
CARCASA YA ENSAMBLADA
45
RODETE
46
47
BRIDA DE FIJACION
Carcasa de fijación del motor
48
Cono de succion
49
50
51
52
53
CONCLUSIÓN
Para el diseño del ventilador centrifugo, se llegó a seleccionar, un Motor eléctrico Trifásico, que opere adecuadamente con el ventilador. 54
Se llegó a determinar las dimensiones necesarias para el diseño de los alabes, carcasa y rotor del ventilador centrifugo.
Observamos las pérdidas que se producen en el interior del ventilador centrifugo (perdidas por fricción, por choque por expansión, por espiral). Estas pérdidas halladas teóricamente, nos permite ver la disminución de energía que se produce en el interior del ventilador.
Para diseñar el ventilador centrifugo, nos basamos en teorías de diseño de ventiladores centrífugos.
REFERENCIAS http://www.mservice.cl/pdf/eberlemotor.pdf
ANEXO MOTOR ELÉCTRICO TRIFÁSICO IP55 – USO GENERAL, seleccionado para el diseño del ventilador centrifugo
55
56
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59
