ventilador axial

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


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)

http://es.wikipedia.org/wiki/Aire


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)


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


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.


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]


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]


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]


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


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.


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


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


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.

http://www.chilectra-digital.cl/calculadores/fla_efi/simulador.html

http://www.chilectra-digital.cl/calculadores/fla_efi/simulador.html

http://es.wikipedia.org/wiki/Ley_de_los_gases_ideales

ventilador axial

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