UNIVERSIDAD NACIONAL DE INGENIERIA FACULTAD DE INGENIERIA MECANICA
LABORATORIO Nº 1:
Ventilador centrifugo
CURSO :
Laboratorio de Ingeniería Mecánica III
DOCENTE:
Ing. Morales Oswaldo
INTEGRANTES:
SECCION:
Candiotti Barrenechea Sergio
20117002H
Correa Llanos Walter
19952037J
Geronimo Mendoza Smith
20100089H
Palomino Rondinel Christian
20080191G
B
2013-II
Ensayo en un ventilador centrifugo 1. Objetivos Estudio experimental del comportamiento de un ventilador centrifugo mediante la determinación de sus curvas características a diferentes condiciones de operación. El objetivo del ensayo es conocer la performance del ventilador centrífugo a diferentes RPM. Calcular a RPM constante, diferentes valores de Q y H; nT, potencia aerodinámica y la potencia el eje.
2. Fundamento teórico EL ventilador es una bomba de aire, puede ser axial o radial según sea la dirección que sigue el fluido en su recorrido por el rotor. El ventilador eleva eleva la presión del aire dentro del rango de 0 – 1000 mm de columna de agua. Los turbosopladores elevan la presión del aire dentro de una relación de presiones P II/PI comprendida entre 1.1 y 3. Los turbocompresores elevan la presión en una relación de presiones desde 3 a 10. 1 0. A pesar de que el aire es un fluido altamente compresible, dado el hecho de que ventilador eleva relativamente poca la presión del aire, esta se puede considerar incompresible. Esto sucede mientras la variación de la densidad, no exceda el 7%. Debido a esto el cálculo y diseño de un ventilador se simplifica y se le clasifica dentro de las turbomáquinas hidráulicas. Los ventiladores radiales, llamados también centrífugos, son utilizados cuando el flujo de aire requerido es relativamente bajo comparado a la altura de presión 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 presión un ventilador es más eficiente que otro. Esto se refleja en la cifra llamada número específico de revoluciones de caudal Nq. El rango dentro del cual un ventilador axial es más eficiente que uno radial es de 80 – 600, y los radiales Nqestá entre 20 – 80. En el sistema métrico.
√
Dónde:
= RPM
= Caudal (
)
= Altura Hidraulica (m)
Los ventiladores axiales tienen su aplicación en quemadores y cámaras de combustión, ventilación, tiro forzado en calderas, torres de enfriamiento, proceso de secado, etc. Los ventiladores 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, proceso de secado, chimeneas, aire acondicionado, etc. Ensayo de un ventilador: Un reciente estudio de los códigos para ensayo de ventiladores dio por resultado que había 65 métodos distintos. Estos métodos provienen de los códigos de uso en 10 países, que son los mayores constructores y exportadores de ventiladores industriales. En general los códigos difieren en la posición 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 analizadas a partir del ensayo. Las diferencias no son insignificantes. Para un mismo ventilador ensayado por diferentes métodos, se pueden observar discrepancias en su comportamiento y, eficiencia del orden del 5% y un 10%. Sin embargo no siempre se llega a estas diferencias. Para comparar el funcionamiento de dos ventiladores se debe seguir el mismo método. Se ha establecido que hay cuatro tipos de instalaciones: -
TIPO A: instalación con entrada libre y salida libre.
-
TIPO B: instalación con entrada libre y ducto a la salida.
-
TIPO C: instalación con ducto a la entrada y salida libre
-
TIPO D: instalación con ducto tanto en la entrada como en la salida.
La medición de la presión a la salida del ventilador en el ducto de salida presenta dificultades debido al remolino y a la distribución no uniforme de la velocidad a la salida de la espiral.
Esto implica un exceso de energía cinética que a lo largo del ducto es parcialmente disipada y parcialmente convertida en presión. Si bien la distribución no uniforme de velocidades puede amenguarse, en el ducto, este no es el caso del remolino. Para esto se utiliza un alineador de flujo, el cual a su vez es una fuente de error. Este no es el caso de los ventiladores de alta eficiencia (alabes aerodinámicos) en los cuales el flujo a la salida de la espiral es razonablemente uniforme y paralelo; al menos en las vecindades de la presión de diseño. En cuanto de la precisión en la medida de la presión, así como en la del caudal, se considera muy buena dentro del 2%. En un ensayo de un ventilador se debe medir y calcular la presión total, la presión estática, potencia al eje, eficiencia total, volumen de aire (caudal) y las RPM del ventilador con el objeto de conocer si el ventilador va a satisfacer los requerimientos del sistema al cual va a ser instalado. Por presión total del ventilador se entiende a la diferencia entre la presión total a la salida y a la entrada del ventilador. La presión estática de un ventilador es la presión total del ventilador menos la presión de velocidad del ventilador. Presión de velocidad del ventilador es la velocidad promedio a la salida del ventilador (calculada dividiendo el caudal entre la boca de salida del ventilador). El esquema de la instalación con ducto a la entrada y ducto a la salida (TIPO D):
Figura N°1: Esquema de la instalación del laboratorio de máquinas térmicas 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. 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 En el equipo de laboratorio el micro manómetro y el tubo de pitot nos permiten obtener la presión dinámica y con esta hallar la velocidad máxima del aire para cada RPM de la experiencia. La ecuación es la siguiente
TIPOS DE PRESIÓN •
Presión estática.- La presión estática de un fluido en movimiento es la presión que medirá
un instrumento que se desplazará con la misma velocidad que el fluido y en igual dirección y sentido: es decir la presión estática es la producida por el movimiento al azar de las moléculas de un fluido, pero no por el movimiento del fluido como un todo. La presión estática se puede medir con un manómetro. •
Presión de velocidad.- Es la fuerza por unidad de área ejercida por el movimiento en
conjunto de un fluido sobre un plano perpendicular a la dirección del movimiento. Se mide con el propósito de conocer velocidades caudales. En el caso de la experiencia utilizaremos un tubo de pitot y un micromanometro la realizar su medición. •
Presión total o de Estancamiento.- Es la suma de la presión estática y velocidad. Se puede
entender como la presión que alcanza el fluido al sufrir un frenado isoentrópico; en el caso de que se trate de un flujo.
Ecuación de Bernoulli Al realiza un balance de energía entre dos puntos y considerando que se trata de un flujo viscoso, permanente, adiabático y unidimensional y, que no da ni recibe trabajo. Se obtiene la siguiente ecuación:
Donde:
= altura de presión = altura de velocidad, altura dinámica
= altura geodésica, altura potencial = altura de pérdidas
Numero de Reynolds Es la relación de la fuerza de inercia a la fuerza de fricción, normalmente en función de parámetros geométricos y del flujo adecuado.
Donde:
: Densidad del fluido
: velocidad media del fluido : Diametro
: Viscosidad absoluta
3. COMPONENTES DE LA INSTALACION: 1. Ventilador Centrífugo: De alabes curvados hacia atrás (2<90º). 2. Ducto del Sistema: Cilíndrico de 12”=304.8m de diámetro. Las tuberías están unidas mediante bridas. El sistema está provisto de un cono de regulación de caudal.
3. Motor Eléctrico: Marca: US ELECTRIC MOTOR Potencia de placa: 2HP Voltaje: 230/460 v Intensidad: 7.2/3.6 A Velocidad: 1600rpm Frecuencia: 60 Hz.
4. Equipo de cambio de velocidad: Permite cambiar las velocidades desde 450 hasta 4500rpm. 5. Un manómetro inclinado: Unidades de pulgadas de columna de agua.
6. Un manómetro diferencial: Unidades en pulgadas de columna de agua.
7. Tacómetro: Dispositivo electrónico para medir las rpm del motor.
4. PROCEDIMIENTO DEL ENSAYO: 1. Marcar 5 posiciones distintas del cono regulador del caudal, para las cuales se realizará la experiencia. Para obtener 5 condiciones de funcionamiento para cada RPM. 2. Nivelar el micro manómetro diferencial y conectarlo al tubo de pitot. 3. Chequear que el indicador de variación de velocidad en el equipo de cambio de velocidad, este al mínimo. 4. Nivelar la plataforma para que el medidor del torque reactivo del motor eléctrico marque cero. 5. Sujetar la plataforma basculante para evitar el golpe producido por el par de arranque al encender el motor. 6. Encender el motor y fijar una velocidad de trabajo. 7. Se coloca el cono en la primera posición marcado previamente. 8. Para cada posición del cono, tomar las siguientes datos: Presión de velocidad, presión total, (en el tubo de pitot, leído en el micro manómetro diferencial), el torque reactivo del eje del ventilador y las RPM a las que gira el rotor. 9. Repetir lo mismo a partir de 7 para 3 RPM distintos. 10. Una vez realizada la experiencia, llevar la velocidad de rotación al mínimo, y apagar el motor.
5. Datos registrados
Para N=1518 RPM
1 2 3 4 5
H (in H2O) 1.20 0.77 0.54 0.49 0.45
H (m H2O) 0.03 0.02 0.01 0.01 0.01
h(in H2O) 0.06 0.15 0.19 0.19 0.20
h (m H2O) 0.00 0.00 0.00 0.00 0.01
F (onza) 17.00 17.00 17.50 17.50 17.50
F (Newton) 4.78 4.78 4.92 4.92 4.92
H (m H2O) 0.05 0.03 0.02 0.02 0.02
h(in H2O) 0.08 0.22 0.28 0.30 0.31
h (m H2O) 0.00 0.01 0.01 0.01 0.01
F (onza) 25.00 25.00 25.00 25.00 25.00
F (Newton) 7.03 7.03 7.03 7.03 7.03
Para N=1897 RPM
1 2 3 4 5
H (in H2O) 1.90 1.20 0.86 0.75 0.71
Para N=2305 RPM
1 2 3 4 5
H (in H2O) 2.90 1.70 1.20 1.10 1.05
H (m H2O) 0.07 0.04 0.03 0.03 0.03
h(in H2O) 0.12 0.34 0.44 0.44 0.46
h (m H2O) 0.00 0.01 0.01 0.01 0.01
F (onza) 29.00 29.00 29.00 29.00 29.00
F (Newton) 8.15 8.15 8.15 8.15 8.15
6. Cálculos y resultados
Los datos con los que se trabajo y las condiciones ambientales durante la experiencia fueron Temperatura T
17 ºC
Presion barométrica Pa
751 mm Hg
Diametro del ducto D
0.3048 m
Brazo del dinamómetro b
0.254 m
Altura de entrada Ze
0.93 m
Altura de salida Zs
1.10 m
Densidad del aire Densidad del agua
1.20 kg/m3 :
1000 kg/m3
Fórmulas utilizadas:
Donde:
h: altura de agua medida en el manómetro pitot [mH2O]
g: gravedad (=9.81 m/2)
Los valores de Cmax para cada punto y para cada velocidad
1 2 3 4 5
Cmax (1518 RPM) Cmax (1897 RPM) Cmax (2305 RPM) 5.16 5.84 6.91 7.81 9.49 11.90 8.88 10.80 13.46 8.95 11.11 13.56 9.18 11.25 13.82
Se tiene que
Donde:
Cmedio = velocidad media de la sección
K = constante de corrección para obtener la velocidad media o
0.5 para flujo laminar
o
0.83 para flujo turbulento
Para las velocidades y condiciones dadas es más que seguro que el número de Reynolds será mayor a 40000 y por lo tanto estaremos trabajando con un flujo turbulento por lo tanto las velocidades de sección media serán:
1 2 3 4 5
Cmax (1518 RPM) 5.16 7.81 8.88 8.95 9.18
Cmedio (1518 RPM) 4.23 6.41 7.28 7.34 7.53
Cmax (1897 RPM) 5.84 9.49 10.80 11.11 11.25
Cmedio (1897 RPM) 4.79 7.78 8.86 9.11 9.23
Cmax (2305 RPM) 6.91 11.90 13.46 13.56 13.82
Cmedio (2305 RPM) 5.67 9.76 11.03 11.12 11.33
Para confirmar que nuestra suposición del numero de Reynolds era correcta teniendo que -4
2
D = 0.3048 m y ν aire a 17ºC = 0.18x10 m /s
1 2 3 4 5
Cmedio (1518 RPM) 4.23 6.41 7.28 7.34 7.53
Cmedio (1897 RPM) 4.79 7.78 8.86 9.11 9.23
Reynolds 71585 108490 123341 124311 127491
Reynolds 81029 131814 149998 154209 156272
Cmedio (2305 RPM) 5.67 9.76 11.03 11.12 11.33
Lo cual confirma nuestra suposición Lo siguiente será calcular el caudal que pasa por el ducto, para eso sabemos que
Reynolds 95958 165238 186842 188336 191916
1 2 3 4 5
Cmedio (1518 RPM) 4.23 6.41 7.28 7.34 7.53
Q (m3/s) 0.31 0.47 0.53 0.54 0.55
Cmedio (1897 RPM) 4.79 7.78 8.86 9.11 9.23
Q (m3/s) 0.35 0.57 0.65 0.66 0.67
Cmedio (2305 RPM) 5.67 9.76 11.03 11.12 11.33
Q (m3/s) 0.41 0.71 0.81 0.81 0.83
La altura aerodiinamica esta dada por la ecuación de Bernoulli
Por condiciones del ensayo en el banco se tiene que
1 2 3 4 5
H (m H2O) (1518 RPM) 0.03 0.02 0.01 0.01 0.01
H (m aire) 25.57 16.47 11.60 10.54 9.70
H (m H2O) (1897 RPM) 0.05 0.03 0.02 0.02 0.02
por lo tanto
H (m aire) 40.39 25.57 18.37 16.05 15.20
H (m H2O) (2305 RPM) 0.07 0.04 0.03 0.03 0.03
H (m aire) 61.55 36.15 25.57 23.45 22.40
Luego la potencia aerodinámica esta dada por:
1 2 3 4 5
H (m aire) (1518 RPM) 25.57 16.47 11.60 10.54 9.70
Paero (W) 92.85 90.63 72.57 66.47 62.70
H (m aire) (1897 RPM) 40.39 25.57 18.37 16.05 15.20
Paero (W) 165.99 170.97 139.79 125.51 120.47
H (m aire) (2305 RPM) 61.55 36.15 25.57 23.45 22.40
Paero (W) 299.60 303.02 242.34 224.05 218.01
La potencia al eje del ventilador está dada por:
1 2 3 4 5
Paero (W) 92.85 90.63 72.57 66.47 62.70
1518 BHP (W) 192.88 192.88 198.55 198.55 198.55
n (%) 48.14 46.99 36.55 33.48 31.58
Paero (W) 165.99 170.97 139.79 125.51 120.47
1897 BHP (W) 354.46 354.46 354.46 354.46 354.46
n (%) 46.83 48.23 39.44 35.41 33.99
Paero (W) 299.60 303.02 242.34 224.05 218.01
2305 BHP (W) 499.60 499.60 499.60 499.60 499.60
n (%) 59.97 60.65 48.51 44.85 43.64
7. Curvas caracteristicas
Altura efectiva vs Caudal 70.00 60.00 50.00
) e r i a 40.00 m ( a r 30.00 u t l A
1518 RPM 1897 RPM
20.00
2305 RPM
10.00 0.00 0.00
0.20
0.40
0.60
0.80
1.00
Caudal (m3/s)
Potencia Aerodinamica vs Caudal 400.00 350.00 300.00 ) ) W250.00 ( a i c 200.00 n e t o 150.00 P
1518 RPM 1897 RPM 2305 RPM
100.00 50.00 0.00 0.00
0.20
0.40
0.60
Caudal (m3/s)
0.80
1.00
Potencia al Eje vs Caudal 600.00 500.00 ) ) 400.00 W ( a i c 300.00 n e t o P 200.00
1518 RPM 1897 RPM 2305 RPM
100.00 0.00 0.00
0.20
0.40
0.60
0.80
1.00
Caudal (m3/s)
Eficiencia vs Caudal 80.00 70.00 60.00 ) ) 50.00 W ( a i c 40.00 n e t o 30.00 P
1518 RPM 1897 RPM 2305 RPM
20.00 10.00 0.00 0.20
0.30
0.40
0.50
0.60
Caudal (m3/s)
0.70
0.80
0.90
8. Conclusiones
De las gráficas podemos comprobar la tendencia de las curvas del ventilador centrífugo, se ve que a mayor RPM se tiene eficiencias más altas. o
Ventilador centrifugo a 1400 RPM: n(prom)= 39.35 %
o
Ventilador centrifugo a 1897 RPM: n(prom)= 40.78 %
o
Ventilador centrifugo a 2305 RPM: n(prom)=51.52%
En las gráficas se puede ver que hay un punto donde la potencia aerodinámica es máxima y a partir de ahí la potencia comienza a disminuir. Como la potencia al eje se mantuvo contante para cada RPM se tendría que para el punto de potencia aerodinámica máxima sucede la eficiencia máxima del ventilador a dicha RPM.
De haber error posiblemente es debido a que el sistema de ducto donde se mide presiones de velocidad dado su tiempo de uso, sus agujeros se pueden encontrar sucios y obstruidos y sus lecturas han perdido precisión, sin embargo las curvas han mantenido las tendencias esperadas para un ventilador.
9. Recomendaciones
El uso de un manómetro digital haría la toma de datos de la experiencia mucho más rápida y exacta.
10. Observaciones
El motor eléctrico comienza a traquetear al superar las 2000 RPM-
No se tomaron los datos del ventilador a Q=0.
11. Bibliografía
Apuntes de clases.
Guia de Laboratorio
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.
