lab#3 (curvas operacion)
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Curvas de Operacion Mecanica de Fluidos IITRANSCRIPT
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Laboratorio de Mecánica de Fluidos II
VENTILADORES AXIALES Y RADIALES: CURVAS DE OPERACIÓN
19/12/2014 - II Termino
Esteban Josué Dávila Sandoval
Facultad de Ingeniería en Mecánica y Ciencias de la Producción (FIMCP)
Escuela Superior Politécnica del Litoral (ESPOL)
Guayaquil - Ecuador
Resumen
En la práctica se tuvo como objetivo determinar las curvas de operación de un ventilador tanto axial como radial, trabajando en un mismo sistema para un fluido incompresible como es el aire. A
partir de la obtención de las curvas de operación, encontrar el punto de operación óptimo con ayuda de la curva del sistema, y comparar en ese punto los diferentes parámetros en ambos
ventiladores. Para esto se utilizaron unidades demostrativas de ventilador axial y radial, estos
equipos cuentan con varios sensores y un sistema de adquisición de datos. Los datos son manejados por medio del IFD (Interface Device) para ser mostrados en pantalla el flujo. Para obtener las
curvas del ventilador se tomaron 15 mediciones manteniendo un valor constante de velocidad y
controlando el flujo de aire por una válvula en el ducto de descarga. Variando el caudal desde cuando la válvula está completamente cerrada a completamente abierta. Para el caso de la curva del
sistema se dejaba la válvula de descarga en una posición (2/3 cerrada) y se variaba la velocidad del
rotación del eje por medio del potenciómetro. Finalmente se obtuvo el punto de operación para un
Ventilador Radial con un y Ventilador Axial , con sus respectivos valores de presión y eficiencia, concluyendo que el ventilador radial trabaja a una
mejor eficiencia, altos valores de presión y entrega mayor potencia.
Palabras Clave: Curvas de Operación, Caudal de Diseño, Ventilador Axial, Ventilador Radial, Potencia.
.
Abstract
The practice was design to determine the performance curves of both axial and radial fan, working in the same system for an incompressible fluid such as air. After obtaining the curves of operation,
find the optimal operating point using the system curve and comparing at that point the different parameters in both fans. For this demonstration we used the axial and radial fan units, these devices
have several sensors and a data acquisition system. The data is handled by the IFD (Interface
Device) to be displayed on screen. For the fan curves 15 measurements were taken, maintaining a
constant speed value and controlling the air flow through a valve in the discharge duct. By varying the flow from when the valve is fully closed to fully open. In the case of the system curve, the
discharge valve is located at a position (2/3 closed) and we change the shaft rotation speed via
potentiometer. Finally the operating point for a Radial Fan was obtained with Q = 0.045 m ^ 3 / s Axial Fan Q = 0.005 m ^ 3 / s, with respective values of pressure and efficiency, concluding that
the radial fan works better efficiency, high values of pressure and delivers increased horsepower
Keywords: Operating Curves, Design Flow, Fan Axial, Radial Fan, Power
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Introducción
Un ventilador es una turbo máquina que se
caracteriza porque el fluido impulsado es un
gas (fluido compresible) al que transfiere una
potencia con un determinado rendimiento,
aumentando la presión y la velocidad del
mismo. Tienen el mismo funcionamiento que
una bomba que es el de aumentar la energía de
un fluido por medio del aporte de energía
mecánica, con la diferencia de que el fluido de
trabajo es incompresible (líquidos). Para la
práctica usamos aire como nuestro fluido de
trabajo. Tanto ventiladores, como sopladores
y turbocompresores trabajan con fluidos
incompresibles diferenciándose el uno del
otro por el rango de operación que tienen,
dependiendo de las presiones que lleguen y el
caudal que suministren.
Ventilador Axial
Es una turbo maquina rotodinámica
denominada de flujo axial, porque el aire
ingresa y es expulsado por el equipo en el
respectivo eje del ducto de succión y
descarga.
Figura 2. Ventilador Axial.
Ventilador Radial
En esta turbomaquina la trayectoria del aire
sigue una dirección axial a la entrada y
paralela a un plano radial a la salida. Entrada
y salida están en ángulo recto. El rodete de
estos aparatos está compuesto de álabes que
pueden ser hacia adelante (Fig. 2a), radiales
(Fig. 2b) o hacia atrás (Fig. 2c).
Figura 2. Ventiladores Centrífugos
Un ventilador consta en esencia de un motor
de accionamiento, generalmente eléctrico, con
los dispositivos de control propios de los
mismos: arranque, regulación de velocidad,
conmutación de polaridad, etc. y un propulsor
giratorio en contacto con el aire, al que le
transmite energía. Este propulsor adopta la
forma de rodete con álabes, en el caso del tipo
centrífugo, o de una hélice con palas de
silueta y en número diverso, en el caso de los
axiales.
El conjunto, o por lo menos el rodete o la
hélice, van envueltos por una caja con paredes
de cierre en forma de espiral para los
centrífugos y por un marco plano o una
envoltura tubular en los axiales. La
envolvente tubular puede llevar una reja radial
de álabes fijos a la entrada o salida de la
hélice, llamada directriz, que guía el aire, para
aumentar la presión y el rendimiento del
aparato.
Según sea el ventilador, tipo y tamaño, existe
una zona de su curva característica en la que
es recomendable su uso. Fuera de ella pueden
producirse fenómenos que hacen aumentar
desproporcionadamente el consumo
hundiendo el rendimiento, provocando un
aumento intolerable del ruido e incluso
produciendo flujos intermitentes de aire en
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sentido inverso. En los catálogos de
ventiladores vienen indicadas las zonas de la
curva característica. En la práctica se planea
obtener esta curva mediante la medición de
diferentes parámetros y así trazarla
experimentalmente.
La potencia necesaria para mover el
ventilador viene dada por la siguiente
ecuación y se la conoce como potencia en el
eje, o potencia mecánica:
Donde es la velocidad angular del eje y T
torque generado en el eje. Utilizando la
Ecuación de Euler, para turbo maquinaria:
Esta ecuación describe el torque aplicado
para impulsar un fluido. Donde u es la
velocidad del borde del salida del rodete y
V es la velocidad tangencial del fluido.
Definiendo a eficiencia, como la potencia
utilizada sobre la potencia al eje, debido a
que esta siempre va hacer menor por las
pérdidas de energía del motor (sistema de
trasmisión, engranes, etc) al eje. Si no
hubiese pérdidas, la eficiencia fuera del
100%:
Equipos, Instrumentación y
Procedimiento
Equipos Utilizados:
Banco de prueba: Unidad de
Demostración de Ventilador Radial.
Marca: Armfield
Modelo y serie: 011915-002
Nombre del Equipo: Unidad de
Demostración de Ventilador Axial.
Marca: Armfield
Modelo: 011915-001
El banco de pruebas en la práctica consta de 2
sistemas ambos constituidos por un sistema de
ductos de succión y descarga, pero el uno
alimentado por un ventilador radial y el otro
por un ventilador axial. Para el caso del
ventilador axial como habíamos mencionado,
los ductos que permiten una mejor succión del
aire a la entrada del ventilador, están
fabricados de un material acrílico transparente
para la observación del aire circundante en el
sistema. A la entrada del ducto se encuentra
una rejilla enderezadora de flujo cuya función
es de permitir una mejor dirección del flujo y
minimizar la turbulencia a la entrada del
ventilador, y el flujo de aire es controlado por
un dispositivo de regulación instalado al final
del ducto de descarga. Este equipo cuenta con
varios sensores y un sistema de adquisición de
datos. Los datos son manejados por medio del
IFD (interface Device) para ser mostrados en
un computador por pantalla. Para el caso del
ventilador radial se tiene de igual manera que
en axial un sistema de ductos, pero teniendo
en cuenta que la ubicación de los ductos es
perpendicular con respecto a la entrada y
salida. Además el ventilador radial posee una
carcasa, llamada voluta donde se encuentra el
impeller los cuales son intercambiables
dependiendo de la prueba a realizar. Ya sean
alabes curvados hacia atrás o curvados hacia
delante.
Sensores utilizados en la obtención de los
datos de los ventiladores:
Estos sensores a mencionar son los mismos para ambos ventiladores pero en el ventilador
radial todos son sensores tipo piezo-resistivo.
Sensor de diferencial de presión,
conectado al canal 1 en el IFD. Mide la
4
presión desarrollada a través de la placa
orificio instalada en la entrada del ducto
de succión.
Sensor de diferencial de presión,
conectado al canal 2 en IFD. Dispositivo capacitivo, mide la diferencia de presión
entre la succión y descarga.
Sensor de rapidez de rotación, conectado
al canal 3 en el IFD. Switch reflectivo
infrarrojo óptico, mide rapidez de rotación
del impeller.
Sensor de temperatura, conectado al canal
4 en el IFD. Dispositivo semiconductor que mide temperatura del aire que ingresa
al ventilador.
Procedimiento
Obtención de Características del
Ventilador
Primero se verifica el estado de todos los
elementos del banco de pruebas tal como son
cables conectados a los sensores electrónicos,
el suministro de energía. Si todo se encuentra
en buenas condiciones, podemos empezar
abriendo totalmente la válvula de descarga
totalmente para obtener un flujo máximo, y el
potenciómetro se lo ubica hasta el 100% de
potencia para obtener la mayor velocidad en el
ventilador. Por medio del programa
seleccionamos “Diagram” y se anota el valor
de flujo indicado en la parte inferior de la
pantalla, para toma de datos se sugiere obtener
un valor de 15 datos, entre el máximo y
mínimo flujo. Para esto se dividió la válvula
desde la posición en completamente abierto
(Qmax) a la posición en completamente cerrada
(Q=0) en 15 particiones iguales. Entonces
partimos de una posición donde la válvula
este completamente cerrada y esperamos a
que los valores se estabilicen, seleccionamos
“Take Sample” en la pantalla para obtener la
medición. Ahora se mueve la válvula hasta la
siguiente partición, habiendo un ligero
incremento en el flujo nuevamente se espera a
que se estabilicen los valores y seleccionamos
“Take Sample” en la pantalla. De la misma
manera se repite el proceso hasta cuando la
válvula quede completamente abierta, para un
flujo máximo. Finalmente exportar los datos a
una hoja de cálculo para su procesamiento.
Obtención de la Curva del Sistema.
Se desenergiza todo el sistema, para evitar
cualquier problema. Y se procede a
desconectar el sensor de la toma de presión
de la entrada del ventilador (lado de baja
presión) dejándolo abierto a la atmosfera. Se
vuelve a encender el potenciómetro al 100%
de potencia nuevamente. Se coloca la posición
de la válvula de descarga de tal forma que se
presente una resistencia significativa (2/3 de
cerrada) y se la mantiene constante durante la
toma de datos. El control de flujo se lo va
hacer variando la rapidez de rotación del
ventilador, mediante el potenciómetro
análogamente a lo que fue la valvula de
descarga en el procedimiento anterior. De la
misma forma se toma una Velocidad máxima
(100% de Potencia) se espera a que los datos
se estabilicen y seleccionamos “Take Sample”
en la pantalla para obtener la medición. En
este momento la presión de descarga del
ventilador representará a la ‘Presión del
Sistema’ ya que la toma de presión de entrada
está abierta a la atmósfera. Se disminuye la
velocidad de rotación, y se repite el proceso
esto se lo realiza hasta llegar a un valor de
velocidad mínima. Para finalmente exportar
los valores a una hoja de cálculo.
Por ultimo para desactivar el banco de prueba
se debe disminuir la velocidad de rotación, y
podemos apagar el ventilador sin ningún
problema.
Resultados
Los Resultados de la Práctica fueron la
obtención las curvas de operación de ambos
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ventiladores Axial y Radial. Ubicamos en
Anexos, sección Graficas.
Análisis de los Resultados
Conclusiones y
Recomendaciones
Análisis de las Curvas de operación para
Ventilador Radial y Axial.
Analizando primeramente la Grafica 1, donde
se observa las 2 curvas, la del ventilador
radial tanto como la del sistema, obteniendo
un punto de operación de nuestro sistema que
es encontrado por la intercepción de ambas
curvas, así obteniendo para un valor de
, que correspondería al
caudal de diseño de la bomba. En ese punto el
valor de eficiencia que viene dado en la
misma grafica corresponde ,
como observamos el comportamiento de la
curva de eficiencia tiene una fluctuación muy
grande en ciertos tramos, esto viene dado por
los errores que siempre están presentes, en
este caso podrían deberse a la histéresis
generada en el potenciómetro. En cambio en
ambas curvas decrece la presión a medida que
se incrementan los valores de flujo, y para
valores máximos y mínimos de caudal la
curva del ventilador (siempre va hacer la
misma en el ventilador) los valores de presión
están en un rango de 650 – 500 Pa valores
altos y no se tiene una gran disminución de
presión.
Para la Grafica 2 que también corresponde a
ventilador radial donde se encuentra graficado
la potencia vs el caudal, la tendencia
encontrada en la gráfica es de orden
parabólico, obteniendo un error cuadrático
medio R2=0.9829. Y Observando que se
cumple que en el Caudal de Diseño el
valor de Potencia es prácticamente el
máximo que puede alcanzar el ventilador,
por eso es de gran importancia encontrar
este punto. Se tiene que a medida que
aumenta el caudal el valor de potencia
decrece cuadráticamente.
Siguiendo con la Grafica 3, donde están
las curvas para el ventilador axial, de la
misma forma como en el radial
encontramos el punto de operación del
sistema, obteniéndolo para un
y en ese putno el valor de la
eficiencia corresponde a , una
eficiencia muy baja comparándola con la
obtenida en el ventilador radial. También
vemos que los rangos de presión para valores
máximos y mínimos de caudal en la curva de
ventilador van de 50 -70 Pa valores de presión
de trabajo mucho más bajos que en el
ventilador radial. Y que el valor máximo de
eficiencia se obtenida para cuando trabajamos
con altos valores de caudal pero aun así no
llegan a superar la eficiencia obtenida
anteriormente, lo que si se aprecia es que la
eficiencia crece con una tendencia
determinada, no como en el caso anterior de
ventilador radial, esto quiere decir que para
esta configuración se lograron menos errores
de medición y obtención de datos aberrantes.
En la última gráfica, la Grafica 4 que
corresponde a ventilador axial donde también
que en la Grafica 2 se encuentra graficado la
potencia vs el caudal, y nuevamente la
tendencia encontrada en la gráfica es de orden
parabólico, obteniendo un error cuadrático
medio R2=0.9986. Y observando el valor
de Potencia es prácticamente
relativamente bajo si lo comparamos con
el de ventilador radial, alcanzan en axial
rangos muy bajos de potencia de entrega.
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Para concluir podemos decir que los
principales objetivos de la práctica fueron
satisfactoriamente cumplidos, como lograr
determinar las curvas de operación de un
ventilador de flujo axial y de una de flujo
radial, y su respectivo punto de operación. Y
por la comparación de curvas para un mismo
sistema, determinar y compara las
características entre ambos, concluyendo que
el ventilador radial trabaja con presiones
mucho más altas que el axial, además de
ofrecer una eficiencia más alta para un caudal
bajo. Mientras que en el ventilador axial
mientras se va aumentando el valor de caudal
el valor de eficiencia va incrementando
cuadráticamente.
Por ultimo como recomendaciones se tiene
tomar las mediciones cuando los valores se
mantengan constantes y si se obtiene un valor
poco lógico, eliminar la medición del
programa y volver a registrarla. Evitar está a
la entrada o salida del ducto de los
ventiladores para no afecta los valores en la
medición.
Referencias Bibliográficas/
Fuentes de Información
VENTILADORES AXIALES Y RADIALES:
CURVAS DE OPERACIÓN, Guía de
Laboratorio Mecánica de Fluidos II, Término
II 2014-2015.
FRANK W. WHITE, Mecánica de Fluidos,
Mc Graw Hill, 2011, 6ta Edición. Capítulo 11
1S&P MEXICO, VENTILADORES:
CLASIFICACIÓN DE VENTILADORES
HOJA TECNICA[http://www.soler-
palau.mx/ventiladores2.php]
2VENTILADORES AXIALES
[http://extractores.com.mx/ventiladores%20ax
iales.htm]
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Anexos
Tabla de Datos
Vradial
dPo dPs n Ta Pe Qv PtF Pu Egr
[Kpa] [Kpa] [Hz] [°C] [W] [m3/s] [KPa] [W] [%]
175.23 578.64 60 27.57 181.49 0.0456 636.43 29.01 16.0
181.32 579.85 60 27.67 182.95 0.0464 639.66 29.67 16.2
185.58 573.77 60 27.73 184.17 0.0469 639.75 29.80 16.2
189.84 573.16 60 27.62 184.90 0.0475 635.77 30.17 16.3
195.31 558.56 60 27.57 186.13 0.0481 622.97 29.98 16.1
200.18 539.70 60 27.57 186.86 0.0487 605.72 29.98 15.8
208.70 533.00 60 27.46 188.32 0.0497 601.83 29.94 15.9
215.39 512.92 60 27.46 189.55 0.0505 583.96 29.51 15.6
230.60 479.46 60 27.35 192.23 0.0523 555.52 29.04 15.1
253.12 452.69 60 27.24 194.92 0.0548 536.17 29.36 15.1
282.32 425.31 60 27.24 197.36 0.0578 518.42 29.98 15.2
312.74 402.79 60 27.24 201.27 0.0609 505.94 30.80 15.3
352.90 375.41 60 27.30 204.93 0.0647 491.81 31.80 15.5
393.06 340.73 60 27.30 207.87 0.0682 470.37 32.10 15.4
440.52 303.62 60 27.30 209.58 0.0722 448.91 32.43 15.5
474.59 272.59 60 27.30 211.53 0.0750 429.11 32.18 15.2
Tabla 1. Datos obtenidos para el Ventilador radial con valores de Presión a la entrada, salida, Revoluciones, Temperatura, Potencia, Caudal y Eficiencia.
Sradial
dPo dPs n Ta Pe Qv PtF Pu Egr
[Kpa] [Kpa] [Hz] [°C] [W] [m3/s] [KPa] [W] [%]
198.3551 529.3527 60.0000 27.0298 187.8359 0.0485 28.8224 0.5948 15.3445
199.5721 467.2906 57.4206 27.1910 49.0962 0.0486 25.9205 0.5331 52.7952
198.9636 440.5188 55.6620 27.2448 44.4553 0.0486 24.5727 0.5061 55.2773
198.3551 376.0229 51.6756 27.2448 40.5471 0.0485 21.3998 0.4414 52.7776
197.1382 329.7806 47.9238 27.2448 38.3488 0.0483 19.0799 0.3948 49.7535
184.9692 279.2792 44.4944 27.2448 37.1275 0.0468 15.9296 0.3403 42.9051
181.3185 213.5664 38.8080 27.1910 32.9751 0.0463 12.6690 0.2734 38.4199
180.1016 185.5777 36.0235 27.1373 31.0210 0.0462 11.3141 0.2430 36.4724
178.2762 106.4790 27.5232 27.0835 25.1588 0.0459 7.5937 0.1653 30.1832
177.6678 90.6593 25.6180 27.0298 23.9375 0.0459 6.8453 0.1493 28.5967
Tabla 2. Datos obtenidos para el Sistema en el Ventilador radial.
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Vaxial
dPo dPs n Ta Pe Qv PtF Pu Egr
[Kpa] [Kpa] [Hz] [°C] [W] [m3/s] [KPa] [W] [%]
0.6351 58.4758 40.3615 27.0835 29.1891 0.0049 58.4758 0.2851 0.9767
0.6351 59.8437 41.1822 27.1910 28.7738 0.0049 59.8437 0.2918 1.0141
0.8793 62.4817 42.4133 27.1910 28.4074 0.0057 62.4817 0.3585 1.2620
1.0259 63.5564 43.3219 27.9433 27.9433 0.0062 63.5564 0.3938 1.4093
1.3679 65.1685 44.2306 27.7724 27.7724 0.0072 65.1685 0.4662 1.6787
1.7587 65.7548 44.9341 27.4548 27.4548 0.0081 65.7548 0.5334 1.9427
2.4426 65.4128 45.4617 27.2350 27.2350 0.0096 65.4128 0.6252 2.2957
3.3708 65.3640 46.0186 27.0884 27.0884 0.0112 65.3639 0.7339 2.7092
5.3249 65.7059 46.5755 26.8197 26.8197 0.0141 65.7059 0.9271 3.3569
7.4255 65.4128 47.2790 26.7611 26.5999 0.0167 65.4128 1.0898 4.0972
11.1871 67.8554 47.8066 26.7611 26.3801 0.0205 67.8554 1.3877 5.2603
22.8627 65.0220 48.5393 26.7074 26.0870 0.0292 65.0220 1.9008 7.2862
38.4465 57.8896 48.7445 26.7611 25.9648 0.0379 57.8896 2.1947 8.4525
46.5071 54.2257 49.1549 26.7074 25.7694 0.0417 54.2257 2.2608 8.7733
47.2887 53.6883 49.2428 26.6536 25.7206 0.0420 53.6883 2.2569 8.7749
Tabla 3. Datos obtenidos para el Ventilador axial con valores de Presión a la entrada, salida,
Revoluciones, Temperatura, Potencia, Caudal y Eficiencia.
Saxial
dPo dPs n Ta Pe Qv PtF Pu Egr
[Kpa] [Kpa] [Hz] [°C] [W] [m3/s] [KPa] [W] [%]
1.3679 79.7264 44.0547 26.5999 27.6014 0.0071 0.0797 0.5700 2.0650
1.1724 65.9013 40.0977 26.5999 24.6014 0.0066 0.0659 0.4362 1.7680
1.1236 60.2345 38.3977 26.7611 23.6688 0.0065 0.0602 0.3904 1.6494
1.0774 52.8578 35.8769 26.7074 22.3742 0.0063 0.0529 0.3350 1.4973
0.9282 44.6996 33.0337 26.7611 20.7865 0.0059 0.0447 0.2633 1.2667
0.9282 38.5442 30.7474 26.8686 19.5408 0.0059 0.0385 0.2271 1.1621
0.8305 34.2452 28.9595 26.8149 18.2951 0.0056 0.0342 0.1908 1.0431
0.8305 30.2882 27.2594 26.9223 16.9272 0.0056 0.0303 0.1688 0.9973
0.8305 27.6014 26.0283 26.8686 15.9013 0.0056 0.0276 0.1538 0.9673
0.8793 24.1329 24.3869 26.8686 14.2648 0.0057 0.0241 0.1384 0.9702
0.7816 21.0552 22.7748 26.8686 12.6771 0.0054 0.0211 0.1138 0.8980
0.7328 18.4661 21.3385 26.8686 11.1871 0.0052 0.0185 0.0967 0.8641
Tabla 4. Datos obtenidos para el Sistema en el Ventilador axial.
9
Gráficos
Gráfico 1. Curva del Ventilador Radial Incluye Curva del Sistema, Curva del Ventilador.
Observación: En el grafico se presentan los valores de Presión de Trabajo, Caudal y
Eficiencia (notar el eje vertical secundario usado para Eficiencia).
Gráfico 2. Potencia Entregada vs Caudal para Ventilador Radial
Observación: En el grafico se presentan los valores de Potencia para un determinado valor
de Caudal, con la ecuación de la curva con tendencia parabólica, que se ajusta muy bien a
los datos R2=0.9829.
14.8
15.0
15.2
15.4
15.6
15.8
16.0
16.2
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0
100
200
300
400
500
600
700
0.045 0.05 0.055 0.06 0.065 0.07 0.075 0.08
P (
Pa)
Q (m3/s)
Ventilador radial
Curva del Sistema Curva del Ventilador Eficiencia
y = 173.83x2 - 27.942x + 1.5582 R² = 0.9829
0.400
0.450
0.500
0.550
0.600
0.650
0.700
0.0450 0.0500 0.0550 0.0600 0.0650 0.0700 0.0750 0.0800
Pu
(W
)
Q (m3/s)
Ventilador Radial (Potencia)
10
Gráfico 3. Curva del Ventilador Axial Incluye Curva del Sistema, Curva del Ventilador.
Observación: En el grafico se presentan los valores de Presión de Trabajo, Caudal y
Eficiencia (notar el eje vertical secundario usado para Eficiencia).
Gráfico 4. Potencia Entregada vs Caudal para Ventilador Axial
Observación: En el grafico se presentan los valores de Potencia para un determinado valor
de Caudal, con la ecuación de la curva con tendencia parabólica, que se ajusta muy bien a
los datos R2=0.9983.
0
1
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9
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0.0
10.0
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30.0
40.0
50.0
60.0
70.0
80.0
90.0
0.002 0.007 0.012 0.017 0.022 0.027 0.032 0.037 0.042 0.047
Efic
ien
cia
Pt
(Pa)
Q (m3/s)
Ventilador Axial
Curva del Sistema Curva del Ventilador Eficiencia
y = -754.04x2 + 89.566x - 0.1452 R² = 0.9983
0.00
0.50
1.00
1.50
2.00
2.50
0.002 0.007 0.012 0.017 0.022 0.027 0.032 0.037 0.042 0.047
Pu
(W
atts
)
Q (m3/s)
Ventilador Axial (Potencia)
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Imágenes
Figura 1. Esquema y despiece de un ventilador radial.
Figura 2. Componentes básicas de un ventilador axial.
Preguntas evaluativas:
1) Investigue y explique la diferencia, en términos de funcionalidad y rangos de operación,
que existe entre ventiladores, sopladores (blowers), compresores y bombas. Todas las turbomaquinas mencionadas tienen una función similar, que es de elevar la presión de un
fluido hasta cierto punto, dependiendo de las propiedades del fluido si este es incompresible
(líquido) se las conoce con el nombre de bombas. En cambio sí es un fluido compresible (gas) dependiendo de la presión a la que se quiera llegar se los conoce con diferente nombre. Los
ventiladores son los capaces de elevar la presión de un fluido hasta 1 psi mediante un motor
eléctrico, los sopladores en cambio son capaces de elevar la presión de un fluido hasta 50 psi
utilizando motores más potentes, finalmente los compresores son capaces de elevar la presión del fluido hasta 100 psi y se necesita motores de mayor potencia.
2) ¿Cuál es la diferencia entre ventiladores radiales y axiales? Explique en términos de:
características de construcción, rangos de operación típicos (caudales y presiones), eficiencias,
ventajas y desventajas, y aplicabilidad industrial de cada tipo de ventilador. La principal diferencia que se tiene en ambos ventiladores es como ingresa el fluido en contacto con los alabes del ventilador, para el caso de un ventilador axial el flujo del gas pasa paralelo al eje del
ventilador y al momento de ser expulsado sigue en la misma dirección longitudinal, su rango de
operación está entre 1 psi y 15 psi, con una alta eficiencia pero un nivel de presión muy bajo.
12
En cambio para el caso de ventiladores radiales el flujo impulsado por los alabes sale en una
dirección perpendicular a la dirección de entrada, para este ventilador el rango de operación va de
15 psi a 60 psi, y tiene una baja eficiencia pero un alto caudal entregado.
3) Explique en detalle por qué en ciertas bombas o ventiladores radiales se utilizan impellers
(impulsores) con álabes curvados hacia atrás y en otras los curvados hacia delante. ¿Qué
ventajas y desventajas existen al utilizar dichos tipos de impellers? La ventaja que se tiene de usar alabes curvados hacia atrás,
En ciertas bombas o ventiladores se utilizan este tipo de alabes, porque se necesita una región de
alta presión a la salida el rotor, y esto se produce por el contraflujo que se crea al chocar el fluido impulsado contra la carcasa. Donde se utiliza este tipo de alabes es en sistemas de calefacción y aire
acondicionado. La ventaja de estos es la alta presión de salida que entregan, pero la desventaja es la
cantidad de energía que requieren para funcionar.
4) Algunos ventiladores utilizan álabes directores (guide vanes), ¿cuál es la función de éstos?
Explique. Mejoran la eficiencia del ventilador permitiendo un mejor ingreso del flujo al impeller, dando una
mejor dirección del flujo hacia la carcasa, además disminuyendo la turbulencia en el flujo a la
entrada del ventilador para eliminar la inestabilidad del flujo producido por el choque del fluido contra la carcasa, y también aproximar lo más posible el modelo real, al modelo teórico de las
bombas y ventiladores.
5) Para el diseño de bombas y otras turbo máquinas se debe tener en cuenta los efectos en 3D
del movimiento del fluido. ¿Cómo han abordado este problema de diseño los fabricantes de
bombas y otras turbo máquinas? Por medio del uso y aplicación de diferencias finitas se han creado diferentes programas para
dinámica de fluidos computacionales (CFD) , en donde se puede realizar modelos y aproximar a las
condiciones de trabajo (presión, temperatura, etc) que se requieran y realizar un simulación muy
cercana a lo que sería en realidad ahorrando de mucho tiempo y dinero. Conjunto a esto también
entra parte de análisis dimensional para encontrar la relación entre el modelo realizado y el
prototipo a usar.