Ventilador Axial
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Universidad Técnica Federico Santa María Departamento de Industrias
ILN221 –Gestión Energética I
Informe de Laboratorio
Ventilador Axial
Grupo 6: Felipe Cifuentes Rodrigo Fuentes
Pedro Olivos
Profesor: Gonzalo Severino
Universidad Técnica Federico Santa María Departamento de Industrias
Resumen En este informe se analizan las variables involucradas en el comportamiento de un ventilador axial
impulsando aire a condiciones normales. Siendo las principales el caudal impulsado y la presión
efectiva entregada al aire.
La principal hipótesis es que el ventilador se comporta como una bomba centrífuga, tomando en
cuenta que el fluido que impulsa es compresible, por lo que se toma en consideración la
temperatura y la presión en el aire.
De acuerdo a esto se entrega el comportamiento tanto de la presión efectiva entregada al aire, su
caudal y la velocidad angular de los alabes del ventilador. Además se obtiene y analiza la eficiencia
del ventilador, para encontrar un punto de máxima eficiencia y las condiciones en las que esta
eficiencia puede ser mejorada.
De acuerdo a los datos obtenidos empíricamente se concluye que los modelos teóricos
corresponden a la realidad. Además existe un máximo de eficiencia para caudales cercanos a 152,5
[m^3/h]. Aun así la eficiencia del ventilador axial ocupado para la experiencia es muy pequeña.
Introducción Existen variados procesos industriales en los que es necesario mover grandes cantidades de gas de
un espacio a otro, desde la climatización y ventilación de espacios cerrados hasta
intercambiadores de calor a los cuales se les mejora la efectividad aumentando la transferencia de
calor entre un fluido y el aire al hacer un constante flujo de este último. La turbomáquina
predilecta para esta función es un ventilador.
Debido a esto es de interés para los estudiantes de Ingeniería Civil Industrial conocer el
funcionamiento de los ventiladores, tanto la dependencia de la presión entregada en función del
caudal y como se comportan estas dos variables a cambios de la velocidad angular del ventilador.
Un ventilador funciona de manera similar a una bomba centrífuga, mueve grandes caudales de gas
con una leve diferencia de presión, con la diferencia de que funciona con gases, y por tanto fluido
compresibles. Debido a esto es esencial analizar la temperatura y la presión en los ventiladores
dado que la densidad del gas podría ser variable.
Un supuesto importante es que la diferencia de presión es relativamente pequeña y además la
temperatura se mantiene constante, por tanto se puede modelar el gas como si fuera una bomba
centrífuga. De esta forma se tiene que la energía teórica entregada en forma de presión al fluido
se modela a través de la ecuación de Euler:
(1)
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Tomando en cuenta las pérdidas por fricción en los alabes y en el mismo eje de rotación del
ventilador la presión efectiva está dada por:
(2)
Esta presión efectiva se calcula experimentalmente con la diferencia de presión en la entrada y
salida del ventilador:
(3)
Por otro lado se tiene que la potencia entregada al fluido y la eficiencia de este están dados
respectivamente por:
(4)
(5)
Donde:
: Flujo másico, : Densidad del gas, : Caudal del fluido, : Potencia eléctrica
suministrada al eje del ventilador.
Para el último análisis de esta experiencia es importante conocer las leyes de semejanza donde se
calculará el comportamiento de ventiladores supuestos a partir de los resultados empíricos de la
experiencia:
Para dos ventiladores del mismo tamaño, es decir de diámetros iguales su caudal y
presión están dados para su velocidad angular:
; ; (6)
Para dos ventiladores de distinto tamaño , su caudal y presión están dados para sus
diámetros:
; ; (7)
Para un ventilador que funcione con dos gases con densidades distintas :
; ; (8)
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Objetivos *Obtener y analizar el comportamiento de: la diferencia de presión en función del caudal y el
caudal y la presión en función de la velocidad angular.
*Calcular curvas de presión en función de caudal para distintas velocidades angulares, utilizando
las leyes de semejanza y comparar con los resultados anteriores.
*Calcular y analizar la potencia entregada por el ventilador y analizar la eficiencia con respecto a la
potencia eléctrica entregada al eje del ventilador.
*Obtener una perdida mensual para un ventilador operando a máxima eficiencia durante 24
horas.
*Analizar conceptualmente el consumo del ventilador utilizado en la experiencia si este es
utilizado en:
1. Una planta petroquímica donde extrae aire caliente a 80[ºC] en promedio
2. Una faena minera ubicada en la alta montaña, impulsando aire atmosférico hacia un área
confinada.
3. Un taller de reparación de motores, donde debe extraer productos de combustión a
temperatura ambiente.
Metodología experimental Para la realización del experimento se hizo uso de un Modelo de demostración ventilador axial/PC
HM282 de marca G.U.N.T. Hamburg, figura (1).
Figura 1: Esquema del modelo de demostración ventilador axial/PC
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Todas las mediciones de los instrumentos son tomadas por sensores a través del tubo para ser
mostradas en un PC a través del software compatible con el modelo.
El aire entra por el tubo de ensayo (derecha según la figura 1) gracias al ventilador axial (2), con un
flujo volumétrico máximo de 200 .
Primero mide digitalmente la presión estática (3) y la presión atmosférica, obteniendo la velocidad
del fluido. El software calcula posteriormente el caudal utilizando dicha velocidad y las
dimensiones del tubo (850x450x300[ ]), entregando el caudal con una precisión de
±0,1 , con un rango de 93 a 417
La temperatura es medida gracias a una resistencia tabulada (4) con una precisión de ±1[ºC]. Con
un rango de 0 a 60[ºC].
La diferencia de presión estática a la entrada y salida del ventilador es medida por el sensor (5)
con una precisión de ±1[Pa]. Con un rango de 5 a 100[Pa]
Por último la velocidad angular del ventilador se controla gracias al tiristor que varía su voltaje (6)
y es medido con una precisión de ±1[rpm] por el sensor óptico de reflexión (7). Con un rango de 0
a 3000[rpm]
El flujo de aire a través del tubo puede manipularse por medio de una válvula mariposa al final del
tubo (8).
La metodología experimental es la siguiente:
Verificar que los instrumentos estén funcionando y estén en sincronía con el software
La toma de todas las variables se realizan una vez que el sistema se estabilice tras cada cambio.
Se realiza una medición de las variables con la válvula completamente cerrada con una velocidad
angular de 2500 ±10[rpm]. Para luego realizar 7 mediciones de las variables abriendo poco a poco
la válvula hasta tener la válvula completamente abierta, procurando manipular el tiristor para
mantener una velocidad angular constante de 2500 ±10[rpm].
Para obtener las curvas de caudal y presión en función de la velocidad angular se manipula el
tiristor hasta conseguir una velocidad angular máxima con la válvula completamente abierta. Se
realizan 6 mediciones de las variables disminuyendo la velocidad angular gradualmente hasta
obtener una velocidad angular mínima cercana a 1100[rpm], todas estas mediciones con la válvula
completamente abierta.
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Resultados Luego de las 8 primeras mediciones manipulando el caudal y manteniendo la velocidad angular
constante en 2500 ±10[rpm], Se obtiene el gráfico 1 a partir de la tabla 1 (ver anexo). Se realiza
una línea de tendencia para obtener su curva y coeficiente de correlación.
Gráfico 1: Presión efectiva en función del caudal para velocidad angulares constantes de 2500 ±10[rpm],
Para obtener la potencia entregada al fluido por parte del ventilador es calculada con los datos
obtenidos en las primeras 8 mediciones (tabla 1) a partir de la ecuación (4). Además se calcula la
eficiencia del ventilador suponiendo una potencia eléctrica de 16 [W] de acuerdo a la ecuación (5).
Obteniéndose el gráfico 2.
Gráfico 2: Porcentaje de eficiencia en función del caudal para velocidad angulares constantes de
2500 ±10[rpm],
Luego de 6 mediciones modificando la velocidad angular se obtiene la tabla 2 (ver anexo) con la
que se realizan los gráficos 3 y 4, obteniendo la dependencia de la presión y el caudal en función
de la velocidad angular.
y = 47,065e-0,006x R² = 0,9197
0
10
20
30
40
50
60
0 50 100 150 200
Pre
sió
n e
fect
iva
Δp
[Pa]
Caudal Q[m^3/h]
0,00
2,00
4,00
6,00
8,00
0 50 100 150 200
efic
ien
cia
η%
Caudal Q[m^3/h]
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Gráfico 3: Caudal del fluido en función de la velocidad angular con la válvula mariposa completamente
abierta.
Gráfico 4: Presión efectiva entregada al fluido en función de la velocidad angular con la válvula mariposa
completamente abierta.
Para obtener la curva de la presión efectiva entregada en función del caudal impulsado con
velocidades angulares distintas se utiliza la tabla 1 calculando los nuevos valores de caudales y
presiones según la ecuación 6.1 y 6.2 respectivamente. De esta forma se obtiene las tablas 3 (ver
anexo) para velocidades angulares de 2549[rpm], 2306[rpm], 2145[rpm], 1799[rpm], 1393[rpm] y
1104[rpm]. Por último se grafican en el gráfico 5.
y = 0,0875x - 37,93 R² = 0,9985
0
50
100
150
200
1000 1500 2000 2500
Cau
dal
Q[m
^3/h
]
Velocidad angular ω[rpm]
y = 5E-07x2,1827 R² = 0,9915
0
5
10
15
1000 1500 2000 2500
Pre
sió
n e
fect
iva
Δp
[Pa]
Velocidad angular ω[rpm]
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Gráfico 5: Presiones efectivas entregadas al fluido en función de las velocidades angulares para 5 distintas
velocidades angulares.
De acuerdo al gráfico 2 se encuentra que la eficiencia máxima obtenida en la experiencia es de
6,09 %. Con esta eficiencia se calcula las pérdidas en potencia eléctrica según la siguiente
ecuación:
Este cálculo solo considera la potencia perdida, es decir la que no se entrega al fluido y no el costo
asociado a mantener el ventilador prendido por 24 horas.
Luego se obtiene la pérdida monetaria en pesos mensual, con un valor de $88 por cada [kW*h],
(ver anexo):
Obteniendo una pérdida de $952,3 mensuales al mantener el ventilador prendido las 24 horas del
día bajo el funcionamiento más eficiente.
0,0
5,0
10,0
15,0
20,0
25,0
30,0
35,0
40,0
45,0
0,0 50,0 100,0 150,0 200,0
Pre
sió
n e
fect
iva
Δp
[Pa]
Caudal Q[m^3/h]
2549[rpm]
2306[rpm]
2145[rpm]
1799[rpm]
1393[rpm]
1104[rpm]
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Análisis de Resultados Curva presión efectiva vs nivel de caudal:
Al observar la gráfica 1 se ve que la curva que mejor representa el comportamiento de las
variables es una exponencial de exponente negativo, por tanto la dependencia de ambas variables
es inversamente proporcional. Esto significa que la mayor entrega de presión por parte del
ventilador es cuando se obstruye por completo la válvula con un caudal de 0[m^3/h]. Por otro lado
al tratar de conseguir el caudal más grande posible, es decir el límite cuando el caudal es infinito,
la curva converge a cero pero sin llegar nunca a este valor, es decir que siempre existirá una
diferencia de presión entre la entrada y salida del ventilador. Esto último concuerda con la teoría
ya que el caudal es producido por las diferencias de presión entregadas por el ventilador.
Cabe destacar dos mediciones en las que se obtienen dos caudales distintos para la misma
diferencia de presión 25[Pa], este error puede explicarse por no esperar el tiempo suficiente para
que el sistema se estabilice siendo un error del experimentador, esto aumentaría el error
experimental que afecta los cálculos y gráficos siguientes.
Además se observa, de acuerdo a la tabla 1, que la temperatura se mantiene constante durante el
experimento, por lo tanto suponer que el aire es prácticamente incompresible concuerda con los
resultado.
Curvas presión efectiva y nivel de caudal vs velocidad angular:
Al observar los gráficos 3 y 4, se observa que tanto el caudal y la presión efectiva entregada son
proporcionales al aumento de velocidad angular. La diferencia radica en el tipo de curva, ya que
para el caudal es lineal y para la presión es cuadrática. Esto quiere decir que por cada aumento de
velocidad angular el aumento de presión será mayor que el aumento de caudal. Este
comportamiento concuerda con las leyes de semejanza según las ecuaciones 6.1 y 6.2.
Al observar el gráfico 5, se observa una repetición del comportamiento de la diferencia de presión
y el nivel de caudal obtenido en el gráfico 1 para cada velocidad angular. Las curvas crecen tanto
para la presión como para el caudal a medida que se aumenta la velocidad angular inducida en el
ventilador. Se observa un aumento mayor del caudal que de la presión por cada velocidad angular
aumentada, coincidente con el comportamiento de los gráficos 3 y 4.
Curva de eficiencia vs nivel de caudal:
Para la eficiencia del ventilador se utiliza como potencia eléctrica entregada al eje de 16 [W].
Según los resultados del gráfico 2 las eficiencias son pequeñas, entre 1,77% y 6, 09%. El valor de
eficiencia 0% no se toma en cuenta, ya que dicha medición se realiza con la válvula cerrada, es
decir no existe caudal, hablar de eficiencia pierde sentido. Estos valores pequeños de eficiencia
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muy inferiores a las de bombas centrífugas podrían indicar que trabajar con fluido incompresibles
es más fácil y eficiente que trabajar con fluido incompresibles como gases.
La eficiencia aumenta mientras por cada nivel de caudal aumentado, mientras el flujo volumétrico
es pequeño. La curva alcanza un máximo en 6,09% y la proporción se invierte para tramos de
caudales mayores.
Al tener una eficiencia óptima muy baja los costos de mantener un ventilador son principalmente
pérdidas por poca eficiencia. Si bien el valor mensual para el ventilador usado en la experiencia es
bajo, cabe resaltar que es relativamente pequeño en comparación a ventiladores usados en
edificios e industrias. Debido a esto es de suma importancia poder optimizar el uso del ventilador
para disminuir considerablemente las pérdidas monetarias.
Casos de funcionamiento en localidades distintas al laboratorio:
Para el análisis de estos casos se utiliza la ley de estado general de los gases (ver anexo) la cual
indica que la densidad de un gas es directamente proporcional a la presión ejercida sobre él e
indirectamente proporcional a la temperatura en la que se encuentre.
1- Una planta petroquímica donde extrae aire caliente a 80[ºC] en promedio:
Al tener una temperatura ambiente en promedio, tanto la temperatura a la entrada del tubo como
a la salida de esta será la misma. Según la ley de estado general de los gases al encontrarse a una
mayor temperatura la densidad del aire sería más baja. Es así que dada la ecuación 8.3 de
semejanza, la potencia entregada al fluido por parte del ventilador sería más baja.
2- Una faena minera ubicada en la alta montaña, impulsando aire atmosférico hacia un área
confinada.
Bajo estas condiciones se supone que tanto la presión de aire fuera y dentro de la faena minera es
la misma. Al estar ubicada a una altura mayor la presión del aire será menor. Debido a esto, y
según la ley de estado general de los gases, la densidad del aire será menor. Es así que al igual que
en el caso anterior, dada la ecuación 8.3 la potencia entregada al fluido será menor.
3- Un taller de reparación de motores, donde debe extraer productos de combustión a
temperatura ambiente.
Se tiene como supuesto que el taller de reparación está a una altura similar al laboratorio, por
tanto la presión será la misma. Si se extrae aire desde productos de combustión hacia el ambiente
es claro que la temperatura en la entrada del tubo será mayor que a la salida del tubo. Este
cambio de temperatura significará que presión a la entrada sea mayor que a la salida, por tanto la
diferencia de presión será mayor, luego, de acuerdo a la ecuación 4, la potencia entregada será
mayor.
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De acuerdo a lo anterior la potencia entregada es menor tanto para aumentos de temperatura
como a disminuciones de presión. Por lo tanto para estos casos la eficiencia de acuerdo a la
ecuación 5 será menor. Es por esto que para aumentar la eficiencia del ventilador es mejor
trabajar en ambiente fríos o con gases a altas presiones.
Conclusiones
Una vez realizada la experimentación y los análisis respectivos, se concluyó lo siguiente:
* La diferencia de presiones a la entrada y salida de un ventilador es inversamente proporcional al
caudal impulsado, para cualquier velocidad angular impuesta a los alabes del ventilador. Además
si bien es posible tener un caudal cero al mantener la válvula cerrada, no es posible obtener una
diferencia de presión nula
* Tanto el caudal como la diferencia de presión son directamente proporcional a los aumentos de
velocidad angular del ventilador. Siendo la primera de forma cuadrática y la segunda de forma
lineal. Es decir el aumento de velocidad angular afecta mayormente a un aumento de caudal.
* El comportamiento de las variables de un ventilador axial son congruentes con las leyes de
semejanza de las turbomáquinas
* La eficiencia aumenta para caudales pequeños hasta llegar a un máximo, luego disminuye a
medida que el caudal se hace cada vez mayor. Aún así la eficiencia del ventilador usado en la
experiencia es muy pequeña. Encontrar una eficiencia óptima será posible para cualquier
ventilador axial, siendo posible extrapolar los resultados para ventiladores más grandes y potentes
* Es de suma importancia maximizar la eficiencia de un ventilador axial para poder disminuir los
costos aplicados a su funcionamiento, debido a que la mayor parte del costo es pérdida por
ineficiencia.
* Una eficiencia elevada de un ventilador axial se obtiene para ambiente fríos y/o presiones altas.
Tomando en cuenta esto es posible mejorar la eficiencia de cualquier ventilador axial
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Anexo Tablas:
T [°C] Q [m^3/h] ΔP [Pa] ω [rpm] W[W] η%
23 0 50 2502 0,00 0,00
23 45,6 35 2492 0,44 2,77
23 79,9 25 2501 0,55 3,47
23 114,5 25 2499 0,80 4,97
24 152,5 23 2501 0,97 6,09
24 171,1 16 2503 0,76 4,75
24 180,5 13 2500 0,65 4,07
24 26,8 38 2505 0,28 1,77 Tabla 1: Temperatura, nivel de caudal, presión efectiva entregada, velocidad angular, potencia entregada al
fluido y eficiencia de un ventilador para velocidades constantes de 2500 ±10[rpm] .
T [°C] Q [m^3/h] ΔP [Pa] ω [rpm]
24 184,7 13 2549
24 161,6 11 2306
24 151,5 9 2145
24 120,2 6 1799
24 86 4 1393
24 56,4 2 1104 Tabla 2: Temperatura, nivel de caudal y presión efectiva entregada de un ventilador variando las velocidades
angulares, manteniendo la válvula completamente abierta.
Para 2549[rpm] Para 2306[rpm] Para 2145[rpm]
Q [m^3/h] ΔP [Pa] Q [m^3/h] ΔP [Pa] Q [m^3/h] ΔP [Pa]
46,6 36,6 42,2 30,0 39,3 25,9
81,4 26,0 73,7 21,3 68,5 18,4
116,8 26,0 105,7 21,3 98,3 18,4
155,4 23,9 140,6 19,6 130,8 16,9
174,2 16,6 157,6 13,6 146,6 11,8
184,0 13,5 166,5 11,1 154,9 9,6
27,3 39,3 24,7 32,2 22,9 27,9
Para 1799[rpm] Para 1393[rpm] Para 1104[rpm]
Q [m^3/h] ΔP [Pa] Q [m^3/h] ΔP [Pa] Q [m^3/h] ΔP [Pa]
32,9 18,2 25,5 10,9 20,2 6,9
57,5 12,9 44,5 7,8 35,3 4,9
82,4 13,0 63,8 7,8 50,6 4,9
Universidad Técnica Federico Santa María Departamento de Industrias
109,7 11,9 84,9 7,1 67,3 4,5
123,0 8,3 95,2 5,0 75,5 3,1
129,9 6,7 100,6 4,0 79,7 2,5
19,2 19,6 14,9 11,8 11,8 7,4 Tabla 3: Nivel de caudal y presión efectiva entregada de un ventilador para 6 valores de velocidades
angulares distintas. Utilizando leyes de semejanza.
Valor en pesos por cada [kW*h]: $88, según chilectra http://www.chilectra-
digital.cl/calculadores/fla_efi/simulador.html
Ley de estado general de gases ideales (http://es.wikipedia.org/wiki/Ley_de_los_gases_ideales):
Donde:
P: Presión sobre el gas.
Ρ: Densidad del gas.
R: Constante de los gases ideales.
PM: Masa molecular del gas.
T: Temperatura a la que se encuentra el gas.