VENTILADOR CENTRIFUGO ulltimo

UNIVERSIDAD NACIONAL DEL ALTIPLANOFACULTAD DE INGENIERÍA MECÁNICA

ELÉCTRICA, ELECTRÓNICA Y SISTEMASCARRERA PROFESIONAL DE INGENIERÍA

MECÁNICA ELÉCTRICA

LABORATORIO DE INGENIERÍA MECÁNICA IIIEnsayo 01: Ventilador Centrífugo

Alumno: Frank Rolexs, Cruz Yucra

Docente:Ing. Julio Condori A.

Semestre:IX

ESCUELA PROFESIONAL DE INGENIERÍA MECÁNICA ELÉCTRICALABORATORIO DE INGENIERÍA MECÁNICA III

1. Resumen

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

1.1. Datos obtenidos en el ensayo

Posicióndel cono

Altura presión total(pulg H2O)

Altura presión veloci-dad (pulg H2O)

T(torque)(lb - pulg)

1 1.530 0.138 14.52 1.320 0.170 16.03 1.050 0.212 17.54 0.704 0.244 18.55 0.671 0.268 19.06 0.577 0.280 20.0

Cuadro 1.1: Datos obtenidos en el laboratorio a 1460 RPM

Posicióndel cono




1 2.745 0.141 22.52 2.412 0.203 24.03 1.954 0.271 25.54 1.300 0.345 26.55 1.157 0.379 27.5


1.2. Resultados del ensayo

No Q(m3/s) alturaefec.(m.aire)

alturadel sist.(m.aire)

Pa (HP) BHP(HP)

Nq

1 0.45 33.91 2.58 0.24 0.31 69.872 0.50 29.86 3.18 0.24 0.34 80.983 0.56 24.66 3.97 0.22 0.37 98.794 0.60 17.73 4.57 0.17 0.39 131.005 0.63 17.32 5.02 0.17 0.40 136.506 0.64 15.48 5.24 0.16 0.42 150.14Prom 0.20 0.37

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

Frank R. Cruz Yucra 1


No Q(m3/s) alturaefec.(m.aire)


Pa (HP) BHP(HP)

Nq

1 0.46 59.58 2.64 0.43 0.65 62.742 0.55 53.28 3.80 0.46 0.69 74.733 0.63 44.42 5.07 0.45 0.73 92.064 0.71 31.50 6.46 0.36 0.76 126.555 0.75 28.89 7.10 0.34 0.79 138.266 0.78 23.62 7.68 0.29 0.82 163.98Prom 0.39 0.74

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 elpunto optimo de funcionamiento del sistema, pero disminuye la eficiencia, esto debido al aumento dela velocidad y por ende las perdidas en el sistema.



2. Objetivos

Estudiar el comportamiento de un ventilador a diferentes condiciones de funcionamiento (adiferentes 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 elflujo en su recorrido por el rotor.Un parámetro importante es el número especifico de revoluciones decaudal (Nq), según la ecuación 3.1

Nq =N ×

√Q

H3/4(3.1)

3.1. Ventiladores axiales

Son utilizadas cuando el flujo de aire requerido es relativamente grande comparado a la altura depresion 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 calderastorres de enfriamiento, procesos de secado, etc.

3.2. Ventiladores radiales

llamados también centrifugas son utilizados cuando el flujo de aire requerido es relativamentebajo 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 calderascolectores 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 centrí-fugas. Están constituidos por un rotor que posee una serie de paletas o álabes, de diversas formas ycurvaturas, que giran aproximadamente entre 200 y 5000 rpm dentro de una caja o envoltura.



3.3.1. Trabajo específico entregados por el rotor al aire

HR = uC2u × 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).

SQ− SW = dh+ d

(U2

2g

)+ dz (3.3)

Como le ventilador es adiabático SQ = 0

−SW = dh+ dC2

2g+ dz (3.4)

La altura efectiva H es el trabajo específico entregado al aire asumiendo que el flujo a seguido unproceso isentropico ds = 0 Según la ecuación de maxwell 3.5.

Tds = dh− V dp (3.5)

dh =dp

γ(3.6)

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

H =P2 − P1

γ+C2 − C1

2g+ Z2 − Z1 (3.7)

1. Calculo del caudal:Para obtener el caudal necesitamos, es necesario calcular la velocidad me-dia, para el cual se emplea la siguiente ecuación:

Vmed = k × Vmax = k ×(√

2g∆hγaguaγaire

)k: cte de corrección para obtener la velocidad media k=0.5(flujo laminar); k=0.82(flujo turbu-lento).El aire generalmente trabaja en flujo turbulento para comprobar se calcula el numero dereynold Re

Re =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 =Pt2γ

+ hp1 + hp2

Donde hp1 y hp2 son la altura de perdidas primarias y secundarias respectivamente.

hp1 = 0,02L

D× V 2

med

2ghp2 = K × V 2

med

2g

K: coeficiente de pérdidas de entrada que para nuestro caso podemos tomar entre 0.5 y 0.85(asu-miendo 0.8).

2. Calculo de la potencia aerodinámica

Pa =γQH

46

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

BHP =T ×RPM

725,75

4. Eficiencia del ventilador

η =Pa

BHP

3.4. Tubo De Pitot [1]

Es utilizado para la medición del caudal, está constituido por dos tubos que detectan la presiónen dos puntos distintos de la tubería. Pueden montarse por separado o agrupados dentro de un aloja-miento, formando un dispositivo único. Uno de los tubos mide la presión de impacto en un punto de lavena. El otro mide únicamente la presión estática, generalmente mediante un orificio practicado en lapared 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 extremodoblado en ángulo recto hacia la dirección del flujo. El extremo del tubo que mide presión estática escerrado pero tiene una pequeña ranura de un lado. Los tubos se pueden montar separados o en unasola 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 razónlos tubos Pitot se utilizan se utilizan principalmente para medir presiones de gases, ya que en estecaso, los cambios en la velocidad del flujo no representan un inconveniente serio. Los tubos de Pitottienen limitada aplicación industrial debido a que pueden obstruirse fácilmente con las partículas quepueda tener el flujo.

Las aplicaciones de los tubos de Pitot están muy limitadas en la Industria, dada la facilidad conque se obstruyen por la presencia de cuerpos extraños en el fluido a medir. En general, se utilizan entuberías de gran diámetro, con fluidos limpios, principalmente gases y vapores. Su precisión dependede la distribución de las velocidades y generan presiones diferenciales muy bajas que resultan difícilesde medir.



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



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

Posicióndel cono




1 1.530 0.138 14.52 1.320 0.170 16.03 1.050 0.212 17.54 0.704 0.244 18.55 0.671 0.268 19.06 0.577 0.280 20.0


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 −H2O = 0.03886m−H2O

Altura presión velocidad (posicion 1) 0.138 pulg −H2O = 0.00351m−H2O

Longitud de ducto = 7.925m

Patm = 754.1mmHg = 1.025kg/m2

TBS =64F= 17.8oC = 290.95 K

Viscosidad cinemática del aire a 64 F y presion ambiente : 1,48826× 10−05m2/s [2]

Constante del aire (R): 29, 264m/K

Peso espesifico del agua: γagua1000kg/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

Q1 = A× k ×√

2g ×∆hγaguaγaire

(6.8)

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



el peso especifico se halla reemplazando valores en la siguiente ecuación

γaire =PatmR× T

=1,025

29, 264× 290,95= 1,204Kg/m3 (6.9)

∆h es la altura de presión de velocidad en metros de agua, reemplazando valores

Q1 =π

4(0,3048)2 × 0,82

√2× 9,81× 0,00351

1000

1,204= 0,45m3/s (6.10)

6.1.2. Calculo de la altura efectiva

H =Pt2γ

+ hp1 + hp2 (6.11)

Donde Pt2 la altura de presión total = altura de presión estática Pγ

+ altura de presión dinámica; hp1es 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:

Peγ

= ∆hEγaguaγaire

−∆hDγaguaγaire

= 0,038861000

1,204− 0,00351

1000

1,204(6.12)

donde ∆hE y ∆hD son referente a la altura de presión total y altura de presión de velocidad en metrosde agua respectivamente

Peγ

= 29,37m.aire (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:

V 2m2

2 ∗ g=

6,202

2 ∗ 9,81= 1,96m.aire

Altura de presión total en la sección 2

Pt2γ

=Pe2γ

+V 2m2

2× g= 29,37 + 1,96 = 31,32m.aire

Calculamos la altura de pérdidas primarias con un coeficiente de 0.02 que es para ductos turbulentos

hp1 = 0,02L

D× V 2

m

2× g= 0,02

7,925

0,3048× 6,202

2× 9,81= 1,02m.aire

Calculamos la altura de pérdidas secundarias con un coeficiente de 0.8 para el ducto.

hp2 = 0,8× V 2m2

2× g= 1,57m.aire



Por lo tanto reemplasamos los valores hallados en la ecuacion 6.11 para calcular la altura efectivaen 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 siguentienen el mismo procedimiento; en la tabla 6.6 se muestran los cálculos hechos para cada caso.

No Vmax(m/s)

Vmed(m/s)

No Rey-nolds

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

hp1(m.aire)

hp2(m.aire)

alturaefec.(m.aire)


1 7.56 6.20 126924 0.45 31.32 1.02 1.57 33.91 2.582 8.39 6.88 140873 0.50 26.67 1.25 1.93 29.86 3.183 9.37 7.68 157315 0.56 20.69 1.56 2.41 24.66 3.974 10.05 8.24 168771 0.60 13.17 1.80 2.77 17.73 4.575 10.53 8.64 176877 0.63 12.30 1.98 3.04 17.32 5.026 10.77 8.83 180793 0.64 10.24 2.07 3.18 15.48 5.24

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 programaen 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 sellevaron acabo los procedimientos, en esta sección ya no se volverán a realizar puesto que el proce-dimiento es similar por lo cual, en las tablas 6.7 y 6.8se muestran los datos obtenidos en laboratorioy resultados obtenidos respectivamente. Y finalmente para plasmar los resultados se muestra la figuraA.4.

Posicióndel cono




1 2.745 0.141 22.52 2.412 0.203 24.03 1.954 0.271 25.54 1.300 0.345 26.55 1.157 0.379 27.5




No Vmax(m/s)

Vmed(m/s)

No Rey-nolds

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

hp1(m.aire)

hp2(m.aire)

alturaefec.(m.aire)


1 7.64 6.26 128296 0.46 56.93 1.04 1.60 59.58 2.642 9.17 7.52 153940 0.55 49.48 1.50 2.30 53.28 3.803 10.59 8.68 177864 0.63 39.35 2.00 3.08 44.42 5.074 11.95 9.80 200684 0.71 25.04 2.54 3.92 31.50 6.465 12.52 10.27 210340 0.75 21.79 2.80 4.30 28.89 7.106 13.03 10.68 218774 0.78 15.94 3.02 4.65 23.62 7.68

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 programaen 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 obtienelas siguientes tablas:

No Pa (HP) BHP (HP) Nq

1 0.24 0.31 69.872 0.24 0.34 80.983 0.22 0.37 98.794 0.17 0.39 131.005 0.17 0.40 136.506 0.16 0.42 150.14Prom 0.20 0.37

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

No Pa (HP) BHP (HP) Nq

1 0.43 0.65 62.742 0.46 0.69 74.733 0.45 0.73 92.064 0.36 0.76 126.555 0.34 0.79 138.266 0.29 0.82 163.98Prom 0.39 0.74

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



7. Conclusiones y recomendaciones

Aumentar los RPM al motor, aumenta la altura de funcionamiento, pero también aumentan lasperdidas y por ende disminuye la eficiencia.

Las graficas de las curvas H-Q par cada RPM, nos permite visualizar el comportamiento delventilador a diferentes RPM y también hallar el ecuaciones características de cada curva.

Se recomienda utilizar mas condiciones de funcionamiento ( diferentes RPM)



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 DeFluidos(Novena Edicion). McGraw-Hill Interamericana S.A. - Bogota Colombia, 1999.

A. Anexos

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



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



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


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