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PONTIFICIA UNIVERSIDAD CATOLICA DEL

PERU FACULTAD DE CIENCIAS E INGENIERIA

Seccin Mecnica - rea de Energa

LABORATORIO DE TURBOMQUINAS

VENTILADOR CENTRFUGO

1. OBJETIVOS

Estudio experimental del comportamiento de un ventilador centrifugo mediante la determinacin de sus curvas caractersticas (pt, P y versus el caudal circulante) para diversas geometras de rotor.

Verificar las leyes de semejanza de ventiladores.

2. FUNDAMENTOS TEORICOS

Introduccin

Mover aire o gas de un punto a otro es un problema tpico en ingeniera. Una maquina comnmente empleada para este propsito es el ventilador. El mover aire significa vencer la friccin o resistencia a fluir. Esta resistencia siempre est presente dondequiera el aire se mueva, a travs de un ducto, de un difusor, en un inyector o una torre de enfriamiento. Para vencer esta resistencia se requiere trabajo, por lo que se puede entender un ventilador como una mquina que suministra al aire la energa necesaria para moverse. La energa mecnica suministrada al eje del ventilador es transferida al aire o gas mediante el rotor de la maquina incrementando su velocidad, y luego, su presin en el estator, para as superar la resistencia y originar un flujo msico.

Existen dos tipos de ventiladores: ventiladores centrfugos o de flujo radial y ventiladores axiales.

Centrfugos o de Flujo Radial.- El aire ingresa por la boca del rotor, saliendo en forma radial a travs de los alabes de la rueda y variando su ngulo de salida segn la construccin especfica de cada rodete.

Con ventiladores centrfugos, se aprovecha la fuerza centrfuga para acelerar el fluido, de all su nombre. Este efecto centrfugo origina tres cosas:

Imparte al aire gran velocidad a travs de la seccin entre dos alabes.

Incrementa la presin esttica del aire.

Succiona ms aire del centro del rodete.

Una vez que el aire deja el rotor, parte de su velocidad se convierte en presin debido a la divergencia del estator, el cual no es otra cosa que un difusor. Adicionalmente, un difusor externo incrementa an ms la presin del fluido.

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Axiales.- El aire recorre axialmente el rotor, el cual consta de dos o ms alabes montados sobre un eje.

Los ventiladores axiales no utilizan el efecto centrfugo para aumentar la presin. Ellos usan el efecto aerodinmico de los alabes, los cuales pueden ser perfiles conformados, para conseguir que el aire pase a travs de los mismos. El aire es succionado e impulsado en un movimiento helicoidal del borde de ataque al borde de salida. El empleo de alabes-gua reduce los torbellinos y prdidas rotacionales en la mayora de los casos. Los alabes poseen perfiles especiales para incrementar la eficiencia y reducir el arrastre.

Existen algunos trminos bastante comunes en ventiladores.

Presin esttica es la existente en las paredes de un ducto. Esta presin se mide con la ayuda de manmetros conectados en ngulo recto al ducto.

Presin dinmica es la presin originada por el impacto del flujo de aire o gas. Solo es sentida por superficies contra las cuales el flujo incide perpendicularmente.

Presin total es la presin medida por un manmetro conectado paralelo al flujo de aire. Es decir, se siente el impacto del flujo circulante. Dado que la presin esttica es la misma en todos los sentidos, la presin dinmica ser la diferencia entre la lectura de la presin total y la presin esttica.

Estudio terico simplificado de un ventilador

Considerando flujo ideal y un modelo matemtico simple para el rotor, se encuentra que la relacin entre el trabajo especfico de Euler y el caudal est dada por la siguiente expresin.

Si VU1=0,

(condicin ideal de diseo)

Dnde : Trabajo especfico de Euler (J/kg)

U2 : Velocidad tangencial del rotor en la seccin de salida (m/s)

U1 : Velocidad tangencial del rotor en la seccin de entrada (m/s).

Q : Caudal del aire a travs del ventilador (m3/s)

2A : Angulo de salida de los alabes ()

1A : Angulo de entrada de los alabes ()

A2 : Seccin de salida del rotor (m2)

A1 : Seccin de entrada del rotor (m2)

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Durante este ensayo, la velocidad angular debe mantenerse constante, por lo tanto, desde un punto de vista terico se esperara una variacin lineal del trabajo especfico de Euler al variar el caudal de aire, ya que 2A y A2 son constante para un determinado rotor.

Es interesante observar la influencia del ngulo 2A en la expresin anterior. Para 2A = 90, el trabajo especfico de Euler resulta independiente del caudal, es decir, se

mantiene constante e igual a . Para 2A 90, el trabajo especfico de Euler

disminuye al aumentar el caudal y cuando 2A 90, el trabajo especfico de Euler aumenta al aumentar el caudal.

Sin embargo, el comportamiento real del ventilador difiere apreciablemente de lo esperado segn el anlisis terico a consecuencia de los siguientes factores:

Remolino relativo para un flujo viscoso.- Se denomina as al movimiento rotativo que se produce en la masa de fluido que circula entre cada par de alabes del rotor. Esta rotacin consume energa en funcin del caudal que circula a travs del rotor. Varia linealmente con el trabajo especfico de Euler wE. Luego el trabajo terico resulta wTH=kwE.

Figura 1

Friccin.- Debido a que el flujo a travs del rotor es turbulento, las perdidas por friccin son proporcionales al cuadrado del caudal.

Choques.- El rotor del ventilador se disea para operar a una determinada velocidad angular con un determinado caudal, obtenindose la mxima eficiencia. Cualquier variacin del caudal o de la velocidad angular origina perdidas por choques, ya que varan la magnitud de la velocidad y/o su direccin. Las prdidas por choques aumentan conforme nos alejamos del punto de diseo. Para determinar el trabajo tcnico requerido por el ventilador en funcin del caudal y la altura manomtrica, aplicamos la ecuacin de la energa al rotor del ventilador:

W (J/kg)

Q (m3/s)

WTH

gHman

WE

Remolino Relativo

Friccin

Choques

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(

)

Donde , es el trabajo tcnico especfico hecho por el rotor sobre el flujo de aire y, debido a que la diferencia de presiones entre la entrada y salida es pequea, se considera flujo incompresible.

( ) (

)

Dnde : Flujo msico que circula por el ventilador (kg/s) : Flujo msico de fugas externas (kg/s) : Flujo msico de fugas internas (kg/s)

Los trminos corresponden a los cambios de energa potencial y energa cintica pueden suprimirse, considerando iguales a las secciones de entrada y salida y pequeas la diferencia de cotas y la densidad del aire; luego:

(

)

( )

Dnde : Eficiencia volumtrica : Eficiencia hidrulica Considerando las prdidas por friccin en sellos y cojinetes:

Consideraciones de Semejanza

Para analizar la influencia de la velocidad angular de funcionamiento, en el caudal y la altura manomtrica, partimos del anlisis dimensional. Consideremos los nmeros adimensionales de altura especfica y caudal especifico :

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Leyes de los ventiladores

Nomenclatura empleada:

Q : caudal de aire o gas.

p : presin (esttica, dinmica o total)

: Potencia suministrada

N : velocidad de giro

D : dimetro del rotor

: densidad del aire

1.- Variacin de N ( constante, D constante):

; ;

2.- Variacin de D ( constante, p constante):

;

3.- Variacin de D ( constante, N constante):

; ;

4.- Variacin de (Q constante, N constante, D constante):

;

5.- Variacin de (p constante, D constante):

;

6.- Variacin de (D constante):

;

3. DESCRIPCION DEL EQUIPO

Ventilador radial con carcaza espiral de seccin variable provisto de un difusor con una tobera en la entrada y un conducto cilndrico con una vlvula de compuerta en

la salida.

Tres rotores intercambiables de 229 mm de dimetro exterior, 152 mm de dimetro interior y 38 mm de ancho axial libre (constante) con las caractersticas que se

indican:

Tipo de alabes Numero de alabes Angulo del alabe 2A

Curvado hacia atrs 12 63.5

Rectas, radiales 8 90.0

Curvadas hacia adelante 16 138.5

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Este juego de rotores en conjunto con la carcasa, brinda la posibilidad de estudiar comparativamente un ventilador con tres rotores de caractersticas diferentes.

Tobera convergente de 75.0316 mm de dimetro interno en la garganta, instalada en el difusor, permitiendo determinar el caudal de aire que ingresa al ventilador.

Regulador de compuerta instalado en el conducto cilndrico de salida, utilizado para variar el caudal de aire que circula a travs del ventilador.

Motor elctrico de 0.75/0.375KW y 3410/1755 rpm a 60 Hz.

Dinammetro de resorte de 0 a 25 N 0.25 N.

Tacmetro de contacto/no contacto por efecto Doppler de 0 a 9999 rpm.

Micromanmetros digitales de 0 a 10000 Pa 1.0 Pa, empleados para determinar las diferencias de presin a travs del ventilador y a travs de la tobera.

4. PROCEDIMIENTO DE ENSAYO

1. Instalar el rotor seleccionado y conectar las lneas a las tomas de presin.

2. Verificar que los instrumentos marquen cero.

3. Seleccionar la velocidad de giro del motor.

4. Con la compuerta cerrada, encender el equipo.

5. Tomar la lectura de los nanmetros, dinammetro y tacmetro, para la posicin cerrada de la compuerta.

6. Repetir el paso anterior para varias posiciones de apertura en la compuerta de salida.

5. FORMULAS A EMPLEAR.-

5.1 Caudal de aire a travs de la tobera.

Aplicando la ecuacin de Bernoulli entre la entrada y la seccin de la garganta de la tobera, se obtiene para el caudal ideal la siguiente expresin:

( ) ( )

El caudal real se obtiene introduciendo un coeficiente de velocidad CV, que considera la prdida de energa por friccin.

( ) ( )

( )

En este caso:

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5.2 Potencia tcnica entregada por el motor elctrico.

La potencia tcnica entregada por el motor elctrico que acciona el ventilador est dada por la siguiente expresin:

(

)

Dnde : es la potencia mecnica suministrada por el motor elctrico en W.

: es la fuerza registrada en el dinammetro en N.

: es la longitud del brazo palanca del dinammetro, en m

: es la velocidad de giro del motor que mueve el ventilador en pm.

5.3 Energa especfica transferida por el ventilador.

La potencia transferida por unidad de flujo msico se define como el trabajo especfico transferido al fluido. Este trabajo est dado por la siguiente expresin:

( )

Donde : es el trabajo especfico equivalente entregado al fluido, en J/kg

: es el incremento de la presin esttica del flujo, en Pa

: es la velocidad del flujo a la salida del ventilador, en m/s

: es la velocidad del flujo a la entrada del ventilador, en m/s

: es la densidad del aire, en kg/m3

: es la diferencia de cotas entre la descarga y la succin en m.

Debido a que las secciones donde estn ubicadas las tomas de presin tienen el mismo dimetro de 125 mm, las velocidades del flujo en las secciones de salida y entrada sern las mismas, por lo tanto, la expresin anterior se reduce a:

( )

5.4 Eficiencia total del ventilador

6. CLCULOS Y GRFICOS

6.1 Se pide evaluar para cada posicin de la compuerta:

El caudal circulante por el ventilador.

El trabajo especfico de Euler.

La potencia tcnica entregada por el motor elctrico.

La altura manomtrica desarrollada por el ventilador.

La eficiencia total del equipo.

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6.2 Se pide graficar las curvas caractersticas del ventilador: vs Q; vs Q; vs Q.

7. ANALISIS DEL ENSAYO

Se pide, en base a los clculos, grficos y observaciones durante el ensayo, analizar el comportamiento del ventilador y comparar con las tendencias previstas y el modelo terico visto en clase.

8. CONCLUSIONES

Se piden conclusiones especficas acerca de los puntos en comparacin, posibles incongruencias, aplicaciones y conclusiones finales sobre la performance del equipo en estudio.

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9. HOJA DE DATOS-VENTILADOR CENTRIFUGO

Horario: Fecha: JP:

Condiciones ambientales:

Parmetro Smbolo Unidades Lectura Observaciones

Presin baromtrica p0 mbar

Temperatura ambiental T0 C

Humedad relativa HR %

Datos del Ensayo

ROTOR SELECCIONADO: PORCENTAJE DE APERTURA DE LA COMPUERTA

PARAMETRO SIMBOLO UNIDADES 0 20 40 60 80 100

Diferencia de presin-Tobera Pascales

Diferencia de presin-Ventilador Pascales Fuerza en el Dinammetro F Newton

Velocidad de giro-Rotor N RPM

ROTOR SELECCIONADO: PORCENTAJE DE APERTURA DE LA COMPUERTA PARAMETRO SIMBOLO UNIDADES 0 20 40 60 80 100

Diferencia de presin-Tobera Pascales

Diferencia de presin-Ventilador Pascales Fuerza en el Dinammetro F Newton

Velocidad de giro-Rotor N RPM

ROTOR SELECCIONADO: PORCENTAJE DE APERTURA DE LA COMPUERTA PARAMETRO SIMBOLO UNIDADES 0 20 40 60 80 100

Diferencia de presin-Tobera Pascales

Diferencia de presin-Ventilador Pascales Fuerza en el Dinammetro F Newton

Velocidad de giro-Rotor N RPM

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10. HOJA DE CALCULOS-

ROTOR SELECCIONADO: PORCENTAJE DE APERTURA DE LA COMPUERTA PARAMETRO SIMBOLO UNIDADES 0 20 40 60 80 100

Densidad del aire: Kg/m3

Caudal de aire: ( )

Q

m3/s

Altura manomtrica:

( )

J/kg

Incremento de la presin total:

Pascales

Trabajo especfico de Euler ideal:

J/kg

Potencia til transferida al aire:

W

Potencia tcnica entregada:

(

)

W

Eficiencia del Ventilador:

%