17-4-2013

FACULTAD DE INGENIERIA MECANICA

GRUPO 3

INTEGRANTES:

Castilla Chauca, Katia

Córdova Valentin, Gustavo

Ramírez Neyra, David

INTRODUCCION

En la actualidad un equipo de bombeo posee una gran aplicación en una diversidad de campos, tales como el industrial, naval, minero, petrolero, aire acondicionado, etc. Es decir, en aquellos ámbitos donde exista un volumen de fluido pequeño o grande que necesite aumentar de presión o ser desplazado de su ubicación.

La presente monografía está referida a los cálculos justificativos del diseño de una bomba de aire (ventilador centrífugo radial), para unas condiciones de trabajo ya establecidas, tales como potencia del motor, diámetro externo, diámetro interno, número de álabes y R.PM, además de la disposición geométrica de los álabes de los rodetes analizados.

Dicho ventilador no tiene datos de placa ni del motor ni del ventilador en sí, por lo que tendremos que averiguarlos de los resultados de las pruebas.

VENTILADORES

1. FUNDAMENTO TEÓRICO :

Un ventilador es una turbomáquina que se caracteriza porque el fluido impulsado es un gas

(fluido compresible) al que transfiere una potencia con un determinado rendimiento.

A pesar de que no existe convenio alguno universalmente adoptado; los ventiladores pueden subdividirse en cuatro grupos:

1. ventiladores de baja presión: hasta una presión del orden 200 mm c agua (ventiladores

propiamente dichos).

2. ventiladores de media presión: entre 200 y 800 mm c agua (soplantes)

3. ventiladores de alta presión: entre 800 y 2500 mm c agua (turbosoplantes)

4. ventiladores de muy alta presión , mayor a 2500 mm c agua (turbocompresores)

En función de la trayectoria del fluido, todos estos ventiladores se pueden clasificar en

1. de flujo radial (centrífugos)

2. de flujo semiaxial (helico-centrifugos)

3. de flujo axial

Fig. Configuración típica de sendos rodetes: radial, semiaxial y axial.

Ventiladores radiales (Centrífugos)

En los ventiladores centrífugos la trayectoria del fluido sigue la dirección del eje del rodete a

la entrada y está perpendicular al mismo a la salida. Si el aire a la salida se recoge

perimetralmente en una voluta, entonces se dice que el ventilador es de voluta.

Estos ventiladores tienen tres tipos básicos de rodetes:

1. álabes curvados hacia adelante,

2. álabes rectos,

3. álabes inclinados hacia atrás/curvados hacia atrás.

Los ventiladores de álabes curvados hacia adelante (también se llaman de jaula de ardilla)

tienen una hélice o rodete con las álabes curvadas en el mismo sentido que la dirección de

giro. Estos ventiladores necesitan poco espacio, baja velocidad periférica y son silenciosos.

Se utilizan cuando la presión estática necesaria es de baja a media, tal como la que se

encuentran en los sistemas de calefacción, aire acondicionado o renovación de aire, etc. No es

recomendable utilizar este tipo de ventilador con aire polvoriento, ya que las partículas se

adhieren a los pequeños álabes curvados y pueden provocan el desequilibrado del rodete.

Estos ventiladores tienen un rendimiento bajo fuera del punto de proyecto. Además, como su

característica de potencia absorbida crece rápidamente con el caudal, ha de tenerse mucho

cuidado con el cálculo de la presión necesaria en la instalación para no sobrecargarlo. En

general son bastante inestables funcionando en paralelo vista su característica caudal-presión.

Fig. Ventiladores centrífugos de álabes curvados hacia delante, radiales y atrás.

Los ventiladores centrífugos radiales tienen el rodete con los álabes dispuestas en forma

radial. La carcasa está diseñada de forma que a la entrada y a la salida se alcanzar velocidades

de transporte de materiales. Existen una gran variedad de diseños de rodetes que van desde

los de "alta eficacia con poco material" hasta los de "alta resistencia a impacto". La

disposición radial de los álabes evita la acumulación de materiales sobre las mismas. Este

tipo de ventilador es el comúnmente utilizado en las instalaciones de extracción localizada en

las que el aire contaminado con partículas debe circular a través del ventilador. En este tipo

de ventiladores la velocidad periférica es media y se utilizar en muchos sistemas de

extracción localizada que vehicular aire sucio o limpio.

Fig. Triángulos de velocidades a la salida para los distintos rodetes centrífugos

Los ventiladores centrífugos de álabes curvados hacia atrás tienen un rodete con las álabes

inclinados en sentido contrario al de rotación. Este tipo de ventilador es el de mayor

velocidad periférica y mayor rendimiento con un nivel sonoro relativamente bajo y una

característica de consumo de energía del tipo "no sobrecargable". En un ventilador "no

sobrecargable", el consumo máximo de energía se produce en un punto próximo al de

rendimiento óptimo de forma que cualquier cambio a partir de este punto debido a cambios

de la resistencia del sistema resultará en un consumo de energía menor. La forma de los

álabes condiciona la acumulación de materiales sobre ellas, de forma que el uso de estos

ventiladores debe limitarse como se indica a continuación:

o álabes de espesor uniforme: Los álabes macizos permiten el trabajo con aire

ligeramente sucio o húmedo. No debe emplearse con aire conteniendo materiales

sólidos ya que tienen tendencia a acumularse en la parte posterior de los álabes.

o álabes de ala portante: Las álabes de ala portante permiten mayores rendimientos y

una operación más silenciosa. Los álabes huecos se erosionan rápidamente y se

pueden llenar de líquido si la humedad es alta, por ello su uso queda limitado a

aplicaciones en las que se manipule aire limpio.

Fig. Curvas características relativa para ventiladores centrífugos. No se observa en la figura,

pero las características de “álabes adelante” pasan por encima de las otras dos en valor

absoluto.

Ventiladores axiales

Existen tres tipos básicos de ventiladores axiales: Helicoidales, tubulares y tubulares con

directrices.

Los ventiladores helicoidales se emplean para mover aire con poca pérdida de carga, y su

aplicación más común es la ventilación general. Se construyen con dos tipos de álabes: alabes

de disco para ventiladores sin ningún conducto; y álabes estrechas para ventiladores que

deban vencer resistencias bajas (menos de 25 mmcda). Sus prestaciones están muy

influenciadas por la resistencia al flujo del aire y un pequeño incremento de la presión

provoca una reducción importante del caudal.

Los ventiladores tubulares disponen de una hélice de álabes estrechos de sección constante o

con perfil aerodinámico (ala portante) montada en una carcasa cilíndrica. Generalmente no

disponen de ningún mecanismo para ende rezar el flujo de aire. Los ventiladores tubulares

pueden mover aire venciendo resistencias moderadas (menos de 50 mmcda).

Los ventiladores tubulares con directrices tienen una hélice de álabes con perfil

aerodinámico (ala portante) montado en una carcasa cilíndrica que normalmente dispone de

aletas enderezadoras del flujo de aire en el lado de impulsión de la hélice. En comparación

con los otros tipos de ventiladores axiales, éstos tienen un rendimiento superior y pueden

desarrollar presiones superiores (hasta 200 mmcda). Están limitados a los casos en los que se

trabaja con aire limpio.

Las directrices tienen la misión de hacer desaparecer la rotación existente o adquirida por el

fluido en la instalación, a la entrada del rodete o tras su paso por el mismo. Estas directrices

pueden colocarse a la entrada o a la salida del rodete, incluso las hay móviles. Han de ser

calculadas adecuadamente pues, aunque mejoran las características del flujo del aire haciendo

que el ventilador trabaje en mejores condiciones, producen una pérdida de presión adicional

que puede condicionar el resto de la instalación. Además, pueden ser contraproducentes ante

cambios importantes del caudal de diseño.

Fig. Efecto de las directrices sobre las líneas de corriente a entrada y salida del rodete axial

Fig. Triángulos de velocidades en un ventilador axial sin directrices.

Fig. Efecto de las directrices a la entrada. La corriente a la entrada se gira convenientemente para hacerlo coincidir en dirección con la del perfil del rodete.

VENTILADORES ESPECIALES

Entre ellos:

o Ventiladores centrífugos de flujo axial: Constan de un rodete con álabes inclinados

hacia atrás montado en una carcasa especial que permite una instalación como si se

tratara de un tramo recto de conducto. Las características son similares a las de un

ventilador centrífugo normal con el mismo tipo de rodete. Los requisitos de espacio

son similares a los de un ventilador axial de tipo tubular.

o Extractores de techo: Son equipos compactos que pueden ser de tipo axial o

centrífugo. En este caso no se utiliza una voluta, sino que la descarga del aire a la

atmósfera se produce en todo el perímetro de la rueda. Estos equipos se pueden

suministrar con deflectores que conducen el aire de salida hacia arriba o hacia abajo.

Fig. Ventiladores axiales clasificados en función de su uso.

CARACTERISTICAS DE LOS VENTILADORES CENTRIFUGOS

TIPO DE

VENTILADOR

VENTAJAS

Curvado hacia delante

1. Funciona a velocidad relativamente baja en comparación con los otros tipos, para un mismo caudal.

2. Ventilador más pequeño para un servicio dado, excelente para unidades compactas de ventilador y serpentín (fan-coil).

Radial 1. Se limpia por sí mismo.2. Puede ser proyectado para que tenga elevada resistencia mecánica

estructural a fin de obtener altas velocidades y presiones.

Curvado hacia atrás

1. De más rendimiento.

2. La curva de potencia consumida tiene una cresta plana, por lo que la potencia del motor puede ser calculada para que cubra el margen completo de funcionamiento desde 0 hasta un caudal de aire del 100 % con una sola velocidad. No se sobrecarga.

3. La curva de presión es generalmente más abrupta que la de un ventilador curvado hacia delante. Esto origina menor variación del volumen de aire para cualquier variación de presión en el sistema, con porcentajes compatibles de descarga libre.

4. El punto de máximo rendimiento está situado a la derecha de máximo de presión, permitiendo elegir un ventilador eficiente con reserva de presión incorporada.

5. Más silencioso que los otros tipos.

VENTILADOR DE ALETAS CURVADAS HACIA DELANTE.-

La presión aumenta desde un valor nulo (descarga libre 100%) hasta la presión correspondiente a caudal cero con una depresión de la curva característica en la zona de bajo caudal. La potencia aumenta con el caudal de aire.

VENTILADOR DE ALETAS CURVADAS HACIA ATRAS.-

La presión aumenta constantemente desde la descarga libre del 100% hasta un caudal casi nulo. No hay depresión en la curva. Los máximos de la curva de potencia absorbida corresponden al máximo caudal. Por consiguiente, un motor elegido para satisfacer la máxima demanda de potencia a una velocidad dada del ventilador no se sobrecarga en ningún punto de la curva, a condición de que se mantenga constante está velocidad.

Los ventiladores de aletas aerodinámicas y los de aletas inclinadas hacia atrás son dos modalidades de los de aletas curvadas hacia atrás.

El ventilador de aletas aerodinámicas es de gran rendimiento debido a que la forma de sus aletas permite una corriente de aire más uniforme, con menos torbellinos, a través del rodete. Se emplea normalmente en los casos de gran caudal y alta presión en los que la economía de potencia puede amortizar su mayor costo de adquisición. Como las características de rendimiento de un ventilador de aletas aerodinámicas tiene usualmente máximos más agudos que la de los otros tipos, es necesario poner más cuidado en su elección y aplicación en un caso particular.

El ventilador de aletas inclinadas hacia atrás generalmente se elige de modo que su motor no quede sobrecargado funcionando a descarga libre; por consiguiente, su margen de funcionamiento con alto rendimiento no es tan grande como el del ventilador de aletas curvadas hacia atrás.

APLICACIÓN.-

La adaptabilidad funcional de un tipo de ventilador con respecto a ciertas aplicaciones se analiza:

Cuando es necesario el empleo de una conducción (tubería), en una instalación de acondicionamiento de aire se debe emplear un ventilador axial de tubo o de aletas directrices, o bien uno centrífugo, pero nunca uno de hélice. Cuando no existe conducción y la resistencia a la corriente de aire es pequeña, se puede emplear un ventilador axial de hélice. Sin embargo, en instalaciones sin conducto también suelen utilizarse ventiladores centrífugos en equipos compactos.

El ventilador centrífugo se utiliza en la mayoría de casos para ventilación de minas, en torres de enfriamiento, en procesos de secado, en extracción de humos, etc.

ENSAYO DE UN VENTILADOR

Un reciente estudio de los códigos para ensayos de ventiladores dió resultado que había 65 métodos distintos usados en 10 países considerados constructores y exportadores de ventiladores industriales. En general, los códigos difieren en la disposición 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 aún en la determinación de las cantidades a ser analizadas a partir del ensayo.Las diferencias no son significantes para un mismo ventilador ensayado por diferentes métodos. Para comparar el funcionamiento de dos ventiladores se debe seguir el mismo método.

Existen cuatro tipos de instalaciones.

TIPO INSTALACION CON:

A entrada libre y salida libre.

B entrada libre y ducto a la salida.

C ducto a la entrada y salida libre.

D ducto en la entrada como a salida.

La medición de la presión a la salida del ventilador en el ducto de salida presenta dificultades debido al remolino y la distribución no uniforme de la velocidad a la salida del 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, no es el caso del remolino.

Para esto se utiliza un alineador de flujo, que a su vez es una fuente de error.

No es así en ventiladores de alta eficiencia (alabes aerodinámicos) en los cuales el flujo a la salida del espiral es razonablemente uniforme y paralelo; al menos en las vecindades de la presión de diseño.

En cuanto a la precisión en la medida de la presión, así como del caudal, se considera buena dentro del 2%.En un ensayo de un ventilador se debe medir y calcular la presión total, estática, potencia al eje, eficiencia total, volumen del aire, 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.

2. DIMENSIONADO DEL ROTOR

SEADJUNTA PLANO

3. PROCEDIMIENTO EXPERIMENTAL

1.- Instalar el rotor seleccionado.

2.- Nivelar los manómetros y el dinamómetro.

3.- Con el dispositivo de control de flujo en la posición cerrada encender el equipo a baja velocidad.

4.- Tomar lectura de los manómetros, dinamómetro y tacómetro para la posición cerrada del dispositivo de control de flujo.

5.- Repetir el paso anterior para varias posiciones de apertura del dispositivo de control de flujo.

6.- Cerrar el dispositivo de control de flujo y en esta condición variar la velocidad del equipo a alta.

7.- repetir los pasos 4 y 5.

8.- Apagar el equipo con el dispositivo de control de flujo en la posición cerrada.

4. CALCULOS

DATOS OBTENIDOS

∆P(pulg H2O)

Pe(pulg H2O)

F (lb)

RPM Q (m3/s)

Ventr Vsal H (m aire) PH (W)

cerrado

5,85 0,985 0,78

3581

0,0399 2,18745

3,14993

127,91472

59,43441

1 6,03 4,95 1,1 3565

0,0895 47,455 7,061 241,458 251,503

2 6,12 7,85 1,35

3562

0,1126 25,612 8,892 160,546 210,588

3 6,2 8,45 1,4 3555

0,1169 15,501 9,226 140,760 191,562

4 6,25 8,95 1,42

3550

0,1203 10,635 9,495 135,091 189,207

5 6,28 9,2 1,44

3548

0,1219 7,763 9,627 132,911 188,736

abierto 6,33 9,4 1,5 3546

0,1233 5,249 9,731 132,209 189,769

CALCULO DE LOS PARAMETROS

U1=24 , 96m / s

U2=42, 97 m / s

α 2=19 ,4 °

Cm1=35 , 64 m / s

W 1=43 ,51 m /s

Cm2=24 , 43 m/ s

Wu2=26 .20 m /s

Cu2=69 ,17 m / s

W 2=35 , 82 m /s

C2=73 , 36 m / s

Q=617 L /s

Hr∞=303 ,29 m

Hr=261 , 44 m

H=209 ,15 m

Ph=2 , 195 kW

P=3 ,209 kW

Nq=51 , 42

ψ=2 ,22

μ=0.834 (Pfleiderer)

μ=0.862 (Eckert

FORMULAS UTILIZADAS

Q=( πD−ZS)bCm Q1=Q2

Ph=Qρ gH ρ aire=1,3 Kg /m3

P=Qρ gHn

Hr∞=U2Cu2

g

H=μ . nh . Hr∞nh=

HHr

ψ=2gH

U 22 Nq= NQ1/2

H3/4

Coeficiente De Resbalamiento:

Pfleiderer:

μ= 11+∈

∈=(0. 4+1,2D1

D2

)( 2 k

z [1−( D1

D2)2 ]

)

k=0 , 55+0 . 6 sen β2

Eckert:

μ= 1

1+π . sen β2

2 z (1−D1

D2)

TRIANGULOS DE VELOCIDADES

Con los datos obtenidos formaremos los triángulos de velocidades tanto de entrada como de salida del rotor:

El rotor fue instalado dentro de un caracol de la forma:

CALCULOS Y RESULTADOS

Los datos obtenidos en la prueba del rodete fueron tabulados y sirvieron para el calculo de potencias.

Tomando: ρ(aire)=1.187kg/m3

Q=Adifu∗V fluido=π4∗D difu

2 ∗√2∗g∗haire

H= ∆ Pg∗ρ

+ ∆ V 2

2∗g+∆ h Ph=Q∗ρ∗g∗H

Peje=F ( N )∗d∗ω( rads

) n=Peje

Ph

Del ensayo se obtienen las siguientes curvas características:

0.07 0.08 0.09 0.1 0.11 0.12 0.130

50

100

150

200

250

300

f(x) = − 3353.79748947343 x + 539.774896924094R² = 0.989523177107664

H(m) vs Q(m3/s)

Q (m3/s)

H (m

Aire

)