VENTILADOR CENTRIFUGO ulltimo

UNIVERSIDAD NACIONAL DEL ALTIPLANO FACULTAD DE INGENIERÍA MECÁNICA ELÉCTRICA, ELECTRÓNICA Y SISTEMAS CARRERA PROFESIONAL DE INGENIERÍA MECÁNICA ELÉCTRICA

LABORATORIO DE INGENIERÍA MECÁNICA III Ensayo 01: Ventilador Centrífugo Alumno: Frank Rolexs, Cruz Yucra

Docente:Ing. Julio Condori A.

Semestre:IX

ESCUELA PROFESIONAL DE INGENIERÍA MECÁNICA ELÉCTRICA LABORATORIO DE INGENIERÍA MECÁNICA III

1.

Resumen

La finalidad de este ensayo de laboratorio es estudiar el comportamiento de un ventilador a diferentes condiciones de funcionamiento (diferentes RPM), y luego graficar la curva H-Q del ventilador y del sistema.

1.1.

Datos obtenidos en el ensayo Posición del cono 1 2 3 4 5 6

Altura presión total (pulg H2O) 1.530 1.320 1.050 0.704 0.671 0.577

Altura presión velocidad (pulg H2O) 0.138 0.170 0.212 0.244 0.268 0.280

T(torque) (lb - pulg) 14.5 16.0 17.5 18.5 19.0 20.0

Cuadro 1.1: Datos obtenidos en el laboratorio a 1460 RPM

Posición del cono 1 2 3 4 5

Altura presión total (pulg H2O) 2.745 2.412 1.954 1.300 1.157

Altura presión velocidad (pulg H2O) 0.141 0.203 0.271 0.345 0.379

T(torque) (lb - pulg) 22.5 24.0 25.5 26.5 27.5


1.2.

Resultados del ensayo No

1 2 3 4 5 6 Prom

Q(m3 /s) altura efec. (m.aire) 0.45 33.91 0.50 29.86 0.56 24.66 0.60 17.73 0.63 17.32 0.64 15.48

altura del sist. (m.aire) 2.58 3.18 3.97 4.57 5.02 5.24

Pa (HP)

BHP (HP)

Nq

0.24 0.24 0.22 0.17 0.17 0.16 0.20

0.31 0.34 0.37 0.39 0.40 0.42 0.37

69.87 80.98 98.79 131.00 136.50 150.14

Cuadro 1.3: Resultados del ensayo a 1460 RPM con una eficiencia de η = 53,78 %

Frank R. Cruz Yucra

1


No

1 2 3 4 5 6 Prom

Q(m3 /s) altura efec. (m.aire) 0.46 59.58 0.55 53.28 0.63 44.42 0.71 31.50 0.75 28.89 0.78 23.62


Pa (HP)

BHP (HP)

Nq

0.43 0.46 0.45 0.36 0.34 0.29 0.39

0.65 0.69 0.73 0.76 0.79 0.82 0.74

62.74 74.73 92.06 126.55 138.26 163.98

Cuadro 1.4: Resultados del ensayo a 1990 RPM con una eficiencia de η = 52,39 %

Figura 1.1: Grafica que muestra como es el comportamiento del ventilador a diferentes RPM

Ecuaciones del ventilador y del sistema (1460 RPM). El punto optimo de funcionamiento es (Q = 0,718m3 ; H = 6,6m) H(Q)vent = −53,623Q2 − 40,305Q + 63,137; R2 = 0,98 H(Q)sist = 15,299Q2 − 2,835Q + 0,763; R2 = 0,99 Ecuaciones del ventilador y del sistema (1990 RPM). El punto optimo de funcionamiento es (Q = 0,863m3 ; H = 9,3m) H(Q)vent = −133,887Q2 + 51,289Q + 64,753; R2 = 0,99 H(Q)sist = 9,862Q2 + 3,603Q − 1,122; R2 = 0,99 Estos resultados nos dan a conocer que cuando, se aumenta los RPM al motor también aumenta el punto optimo de funcionamiento del sistema, pero disminuye la eficiencia, esto debido al aumento de la velocidad y por ende las perdidas en el sistema. Frank R. Cruz Yucra

2


2.

Objetivos Estudiar el comportamiento de un ventilador a diferentes condiciones de funcionamiento (a diferentes RPM).

Graficar la curva H-Q del ventilador y del sistema.

3.

Fundamento teórico

El ventilador es llamada bomba de aire; puede ser axial o radial según sea la dirección que siga el flujo en su recorrido por el rotor.Un parámetro importante es el número especifico de revoluciones de caudal (Nq ), según la ecuación 3.1 √ N× Q Nq = H 3/4

3.1.

(3.1)

Ventiladores axiales

Son utilizadas cuando el flujo de aire requerido es relativamente grande comparado a la altura de presion que va a proporcionar el ventilador. Con Nq desde 80 − 600 (mas eficiente) 3.1.1.

Aplicación de los V. axiales

tiene su aplicación en quemadores, cámara de combustión, ventilación, tiro forzado en calderas torres de enfriamiento, procesos de secado, etc.

3.2.

Ventiladores radiales

llamados también centrifugas son utilizados cuando el flujo de aire requerido es relativamente bajo comparando con la altura de presión que va a proporcionar al ventilador. Con Nq desde 20 − 80 (menos eficiente) 3.2.1.

Aplicación de los V. radiales

transporte neumático, quemadoras, cámara de combustión, ventilación, tiro forzado en calderas colectores en polvo, proceso de secado, chimenea, aire acondicionado, etc.

3.3.

Principio de funcionamiento

El principio de funcionamiento de los ventiladores centrífugos es el mismo de las bombas centrífugas. Están constituidos por un rotor que posee una serie de paletas o álabes, de diversas formas y curvaturas, que giran aproximadamente entre 200 y 5000 rpm dentro de una caja o envoltura. Frank R. Cruz Yucra

3


3.3.1.

Trabajo específico entregados por el rotor al aire

HR = u

C2u × U2 − C1u × U1 g

(3.2)

Donde: u: factor de resbalamiento C2u : proyección en la dirección tangencial de la velocidad absoluta en la salida (m/s) U2 : velocidad tangencial a la salida del rotor 3.3.2.

Trabajo específico isentropico altura efectiva

Aplicando la primera ley de termodinámica al volumen del control (ventilador). 2 U + dz SQ − SW = dh + d 2g

(3.3)

Como le ventilador es adiabático SQ = 0 −SW = dh + d

C2 + dz 2g

(3.4)

La altura efectiva H es el trabajo específico entregado al aire asumiendo que el flujo a seguido un proceso isentropico ds = 0 Según la ecuación de maxwell 3.5. T ds = dh − V dp dp dh = γ

(3.5) (3.6)

Donde: γ es peso espesifico; integrando la ecuación 3.6 se obtiene: H=

P2 − P1 C 2 − C 1 + + Z2 − Z1 γ 2g

(3.7)

1. Calculo del caudal:Para obtener el caudal necesitamos, es necesario calcular la velocidad media, para el cual se emplea la siguiente ecuación: r γagua Vmed = k × Vmax = k × 2g∆h γaire k: cte de corrección para obtener la velocidad media k=0.5(flujo laminar); k=0.82(flujo turbulento).El aire generalmente trabaja en flujo turbulento para comprobar se calcula el numero de reynold Re Re = Frank R. Cruz Yucra

4

Vmed × D υ


Y el caudal se determina con la siguiente ecuacion Q = Vmed × A Para calcular la altura efectiva (H) utilizamos la siguiente ecuacion H=

Pt2 + hp1 + hp2 γ

Donde hp1 y hp2 son la altura de perdidas primarias y secundarias respectivamente. hp1 = 0,02

L V2 × med D 2g

hp2 = K ×

2 Vmed 2g

K: coeficiente de pérdidas de entrada que para nuestro caso podemos tomar entre 0.5 y 0.85(asumiendo 0.8). 2. Calculo de la potencia aerodinámica Pa =

γQH 46

3. Potencia en el eje del ventilador (potencia al freno ) BHP =

T × RP M 725,75

4. Eficiencia del ventilador η=

3.4.

Pa BHP

Tubo De Pitot [1]

Es utilizado para la medición del caudal, está constituido por dos tubos que detectan la presión en dos puntos distintos de la tubería. Pueden montarse por separado o agrupados dentro de un alojamiento, formando un dispositivo único. Uno de los tubos mide la presión de impacto en un punto de la vena. El otro mide únicamente la presión estática, generalmente mediante un orificio practicado en la pared de la conducción. Un tubo de pitot mide dos presiones simultáneamente, la presión de impacto (pt) y presión estática (ps). La unidad para medir la presión de impacto es un tubo con el extremo doblado en ángulo recto hacia la dirección del flujo. El extremo del tubo que mide presión estática es cerrado pero tiene una pequeña ranura de un lado. Los tubos se pueden montar separados o en una sola unidad. En la figura siguiente se muestra un esquema del tubo pitot. cambios en los perfiles de velocidad del flujo pueden causar errores significativos. Por esta razón los tubos Pitot se utilizan se utilizan principalmente para medir presiones de gases, ya que en este caso, los cambios en la velocidad del flujo no representan un inconveniente serio. Los tubos de Pitot tienen limitada aplicación industrial debido a que pueden obstruirse fácilmente con las partículas que pueda tener el flujo. Las aplicaciones de los tubos de Pitot están muy limitadas en la Industria, dada la facilidad con que se obstruyen por la presencia de cuerpos extraños en el fluido a medir. En general, se utilizan en tuberías de gran diámetro, con fluidos limpios, principalmente gases y vapores. Su precisión depende de la distribución de las velocidades y generan presiones diferenciales muy bajas que resultan difíciles de medir. Frank R. Cruz Yucra

5


4.

Equipos Ventilador centrifugo Tubo de pitot

Figura 4.2: Esquema del equipo de laboratorio

5.

Procedimiento 1. Encender el motor y establecer un rpm 2. Se coloco el cono en la primera posición (fijamos un caudal) 3. Se midio con el tubo de pitot, para cada posición del cono; en la parte central

Frank R. Cruz Yucra

6


6.

Resultados

6.1.

Primer RPM fijado

Los datos tomados a 1460 RPM son los que se muestran en el cuadro 6.5 En este caso solo Posición del cono 1 2 3 4 5 6

Altura presión total (pulg H2O) 1.530 1.320 1.050 0.704 0.671 0.577

Altura presión velocidad (pulg H2O) 0.138 0.170 0.212 0.244 0.268 0.280

T(torque) (lb - pulg) 14.5 16.0 17.5 18.5 19.0 20.0

Cuadro 6.5: Datos obtenidos en el laboratorio a 1460 RPM analizaremos para la posición 1 del cono ya que, las demás posiciones se efectúan de la misma forma. 6.1.1.

Calculo del caudal

para el calculo necesitamos de los siguientes datos: Altura de presión total (posicion 1) 1.530 pulg − H2 O = 0.03886m − H2 O Altura presión velocidad (posicion 1) 0.138 pulg − H2 O = 0.00351m − H2 O Longitud de ducto = 7.925m Patm = 754.1mmHg = 1.025kg/m2 TBS =64F= 17.8o C = 290.95 K Viscosidad cinemática del aire a 64 F y presion ambiente : 1,48826 × 10−05 m2 /s [2] Constante del aire (R): 29, 264m/K Peso espesifico del agua: γagua 1000kg/m3 [3] Constante de corrección para obtener la velocidad media k=0.82(flujo turbulento) Diámetro del ducto 0.3048m La ecuación 6.8 obtenemos el caudal para cada caso 1 r Q1 = A × k × 1

2g × ∆h

γagua γaire

En este caso solo será para la posición 1 del cono, ya que los cálculos son similares para las demás posiciones

Frank R. Cruz Yucra

7

(6.8)


el peso especifico se halla reemplazando valores en la siguiente ecuación γaire =

Patm 1,025 = = 1,204Kg/m3 R×T 29, 264 × 290,95

∆h es la altura de presión de velocidad en metros de agua, reemplazando valores r π 1000 Q1 = (0,3048)2 × 0,82 2 × 9,81 × 0,00351 = 0,45m3 /s 4 1,204 6.1.2.

(6.9)

(6.10)

Calculo de la altura efectiva

H=

Pt2 + hp1 + hp2 γ

(6.11)

Donde Pt2 la altura de presión total = altura de presión estática Pγ + altura de presión dinámica; hp1 es la altura de perdidas primarias y hp2 es la altura de perdidas secundarias. En el punto 2 donde está el tubo de pitot la presion estatica es: 1000 1000 γagua γagua Pe = ∆hE − ∆hD = 0,03886 − 0,00351 γ γaire γaire 1,204 1,204

(6.12)

donde ∆hE y ∆hD son referente a la altura de presión total y altura de presión de velocidad en metros de agua respectivamente Pe = 29,37m.aire γ

(6.13)

Por teoría esta presión estática en la sección 2, es Cte. en cualquier punto ∴ Pe2 = 29,37m.aire. Altura de presión de velocidad media en la sección 2: 2 Vm2 6,202 = = 1,96m.aire 2∗g 2 ∗ 9,81

Altura de presión total en la sección 2 Pt2 Pe2 V2 = + m2 = 29,37 + 1,96 = 31,32m.aire γ γ 2×g Calculamos la altura de pérdidas primarias con un coeficiente de 0.02 que es para ductos turbulentos hp1 = 0,02

L V2 7,925 6,202 × m = 0,02 × = 1,02m.aire D 2×g 0,3048 2 × 9,81

Calculamos la altura de pérdidas secundarias con un coeficiente de 0.8 para el ducto. hp2 = 0,8 × Frank R. Cruz Yucra

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2 Vm2 = 1,57m.aire 2×g


Por lo tanto reemplasamos los valores hallados en la ecuacion 6.11 para calcular la altura efectiva en la posicion 1 del cono la cual es: H=33.91 m. aire Las perdidas son: hp1 + hp2 = 2,58m.aire Como se indico inicialmente, el procedimiento anterior solo fue para el caso uno, los casos que siguen tienen el mismo procedimiento; en la tabla 6.6 se muestran los cálculos hechos para cada caso. No

Vmax (m/s)

Vmed (m/s)

No Reynolds

Q(m3 /s) Pt2 (m.aire)

hp1 (m.aire)

hp2 (m.aire)

1 2 3 4 5 6

7.56 8.39 9.37 10.05 10.53 10.77

6.20 6.88 7.68 8.24 8.64 8.83

126924 140873 157315 168771 176877 180793

0.45 0.50 0.56 0.60 0.63 0.64

1.02 1.25 1.56 1.80 1.98 2.07

1.57 1.93 2.41 2.77 3.04 3.18

31.32 26.67 20.69 13.17 12.30 10.24

altura efec. (m.aire) 33.91 29.86 24.66 17.73 17.32 15.48


Cuadro 6.6: Cálculos realizados para cada posición del cono a 1460 RPM.

La ecuación de la curvas del ventilador como del sistema, fueron ajustados mediante un programa en computadora, las imágenes se muestran en los anexos y las ecuaciones son: H(Q)vent = −53,623Q2 − 40,305Q + 63,137; R2 = 0,98 H(Q)sist = 15,299Q2 − 2,835Q + 0,763; R2 = 0,99

6.2.

Segundo RPM fijado (1990)

Del mismo modo que para el primer RPM fijado, se procede a realizar los cálculos; como ya se llevaron acabo los procedimientos, en esta sección ya no se volverán a realizar puesto que el procedimiento es similar por lo cual, en las tablas 6.7 y 6.8se muestran los datos obtenidos en laboratorio y resultados obtenidos respectivamente. Y finalmente para plasmar los resultados se muestra la figura A.4. Posición del cono 1 2 3 4 5

Altura presión total (pulg H2O) 2.745 2.412 1.954 1.300 1.157

Altura presión velocidad (pulg H2O) 0.141 0.203 0.271 0.345 0.379

T(torque) (lb - pulg) 22.5 24.0 25.5 26.5 27.5


Frank R. Cruz Yucra

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No

Vmax (m/s)

Vmed (m/s)

No Reynolds

Q(m3 /s) Pt2 (m.aire)

hp1 (m.aire)

hp2 (m.aire)

1 2 3 4 5 6

7.64 9.17 10.59 11.95 12.52 13.03

6.26 7.52 8.68 9.80 10.27 10.68

128296 153940 177864 200684 210340 218774

0.46 0.55 0.63 0.71 0.75 0.78

1.04 1.50 2.00 2.54 2.80 3.02

1.60 2.30 3.08 3.92 4.30 4.65

56.93 49.48 39.35 25.04 21.79 15.94

altura efec. (m.aire) 59.58 53.28 44.42 31.50 28.89 23.62


Cuadro 6.8: Cálculos realizados para cada posición del cono a 1990 RPM.

La ecuación de la curvas del ventilador como del sistema, fueron ajustados mediante un programa en computadora, las imágenes se muestran en los anexos y las ecuaciones son H(Q)vent = −133,887Q2 + 51,289Q + 64,753; R2 = 0,99 H(Q)sist = 9,862Q2 + 3,603Q − 1,122; R2 = 0,99

6.3.

Parametros de funcionamiento

para los calculos se emplearon las ecuciones del punto 3.3.2 del marco teorico, del cual se obtiene las siguientes tablas: No 1 2 3 4 5 6 Prom

Pa (HP) 0.24 0.24 0.22 0.17 0.17 0.16 0.20

BHP (HP) 0.31 0.34 0.37 0.39 0.40 0.42 0.37

Nq 69.87 80.98 98.79 131.00 136.50 150.14

Cuadro 6.9: Parametros de funcionamiento a 1460 RPM, η = 53,78 %

No 1 2 3 4 5 6 Prom

Pa (HP) 0.43 0.46 0.45 0.36 0.34 0.29 0.39

BHP (HP) 0.65 0.69 0.73 0.76 0.79 0.82 0.74

Nq 62.74 74.73 92.06 126.55 138.26 163.98

Cuadro 6.10: Parametros de funcionamiento a 1990 RPM, η = 52,39 %

Frank R. Cruz Yucra

10


7.

Conclusiones y recomendaciones Aumentar los RPM al motor, aumenta la altura de funcionamiento, pero también aumentan las perdidas y por ende disminuye la eficiencia. Las graficas de las curvas H-Q par cada RPM, nos permite visualizar el comportamiento del ventilador a diferentes RPM y también hallar el ecuaciones características de cada curva. Se recomienda utilizar mas condiciones de funcionamiento ( diferentes RPM)

Frank R. Cruz Yucra

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Referencias Bibliograficas [1] CLAUDIO MATAIX. Mecánica De Fluidos y Maquinas Hidraulicas. Ediciones del Castillo S. A.-Madrid, 1986. [2] ROBERT L. MOTT. Mecánica De Fluidos. Pearson Educación-México, 2006. [3] VICTOR L. STREETER, E. BENJAMIN WYLIE, and KEITH W. BEDFORD. Mecánica De Fluidos(Novena Edicion). McGraw-Hill Interamericana S.A. - Bogota Colombia, 1999.

A.

Anexos

Figura A.3: propiedades del aire a diferentes temperaturas y presion estandar

Frank R. Cruz Yucra

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Figura A.4: Curva H-Q del Ventilador y del sistema a 1990 RPM

Figura A.5: Curva H-Q del Ventilador y del sistema a 1460 RPM

Frank R. Cruz Yucra

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Figura A.6: Grafica que muestra como es el comportamiento del ventilador a diferentes RPM

Frank R. Cruz Yucra

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