Laboratorio de Mecnica de Fluidos

VENTILADORES AXIALES Y RADIALES: CURVAS DE OPERACION

Condo Colcha Felipe RafaelFacultad de Ingeniera en Mecnica y Ciencias de la Produccin (FIMCP)Escuela Superior Politcnica del Litoral (ESPOL)Guayaquil-Ecuadorfrcondo@espol.edu.ec

ResumenEn esta prctica se determino las curvas de operacin de ventiladores axiales y radiales, adems se buco en las misma curvas el punto de operacin optima.Para esto se utiliz un banco de prueba que constaba con un sistema de adquisicin de datos (ArmField), junto con diferentes gages. Tambin se utilizo un barmetro, para registrar la presin atmosfrica en ese instante (100340 Pa). Estos permitan tomar la presin en el punto de succin y descarga, adems de una themocouple que permite tomar la temperatura del fluido. Des esa manera se obtuvo datos para un ventilador axial y otro radial; en estos casos se precedi variar el rea a la entrada de flujo por medio de una vlvula. Despus para obtener la curva de presin del sistema se desconecto el sensor a la entrada, punto de succin, de tal manera que el sistema tuviera la presin atmosfrica a la entrada; adems en esta parte se vario la velocidad del ventilador por medio del potencimetro del motor, hasta el punto que este se apagara. Por medio de IDF se transformo la seal analgica a digital, obteniendo asi los datos en la pantalla del computador.Como resultado se obtuvo los BEP (Punto de operacin optima) para el ventilador radial y axial, los cuales estn a 0.035 para ambos con una eficacia de 43% y 5.70% respectivamente. Por lo tanto se concluye que para el mismo sistema, es ms eficiente utilizar un ventilador axial, donde se requiere un alto caudal pero bajo cabezal, adems de que la eficiencia es mayor en el ventilador axial.

En la prctica no ha realizado el anlisis de errores, ya que se utilizaron gages electrnicos, los cuales permiten un alto grado de precisin.

Palabras claves: ventilador axial ventilador radial, Punto de Operacin Optima

AbstractIn this practice it was determined the performance curved for an axial and centripetal fan, also the BEP was found in each of the graphs.In order to do this, the working beach had a SAD (ArmField), with other different gages. Also, a barometer was used to read the atmospheric pressure at the moment (100340Pa). these data, it allow read the pressure in the suction and discharge point, even more the thermocouple let have a measure of the temperature of the fluid. In the data for both, the axial and centrifugal was obtained. For these, the inlet area was changed due to a valve. Later, to obtain the system curve the gage at the inlet was unpledged, so that it would be at atmospheric pressure; also, the speed of the fan was changed due to the motor change in power. Using IDF the anagogic signal was transform to digital, so the data could be obtain in a screen computer.As a result the BEP were obtaining, for the radial and axial fan, which are 0.035, for both of them with an efficiency of 43% and 5.70% respectively. Therefore, it has been establish that for the same system an axial fan works better, because it is requires a high volume flow but low head, also because the efficiency is grater in the axial fan.In this practice the error analyses has been omitted, due to electronics gages have been used, thus the data obtain by these is highly accurate. Key words: Axial fan, centrifugal fan, BEP

14FIMP-03913Introduccin

La presente prctica tiene como objetivos comparar las curvas de presin dadas por un sistema y las curvas presin, potencia y eficiencia de un ventilador como funcin de su caudal. Adems se busca hallar el punto de mxima eficiencia para cada uno de los ventiladores.Como primer objetivo se procede a calcular la densidad del fluido, la cual es funcin de la presin atmosfrica y la temperatura ambiente, mediante la frmula: (ec.1)Donde:

Por medio de la densidad se calcula el caudal, el cual es el flujo volumtrico por unidad de tiempo. (ec.2)Donde:

Asumiendo, que el fluido con el que se trabaja presenta una densidad constante a lo largo del banco de prueba en cada ensayo, se obtiene la velocidad, tanto antes como despus de la placa orificio.(ec.3)Donde

(ec.4)

La presin total producida por medio del ventilador, la cual es funcin de la velocidad de entrada y salida, permite determinar el incremento de presin debido a la placa orificio; adems es tambin funcin de la cada de presin; por lo cual permite saber cmo ha variado la presin desde el ventilador

(ec.5)

El ventilador produce una potencia, en funcin del caudal y presin total del ventilador, esta potencia es la energia por unidad de tiempo necesaria para llegar al punto 2 (punto despus de la placa orificio) con un presin y velocidad dada.

(ec.6)

El ventilador trabaja debido a que se le sumista una potencia por medio de un motor, sin embargo no toda la potencia del motor es ocupada por el ventilador, debido a las mltiples perdidas, como la de friccin, entre otros.

(ec.7)

Las prdidas por friccin en tuberas en conexin en serie y paralelo. Cada una de estas conexiones presenta caractersticas especficas en su anlisis.

Se debe conocer la funcionalidad del sistema, curva de cabezal de sistema para elegir una bomba, es decir su tamao. La velocidad especfica es un parmetro adimensional, donde el dimetro se elimina al combinar el caudal y cabezal de manera adecuada. White, (2008) Este parmetro permite al ingeniero elegir qu tipo de bomba se debe utilizar, ya sea una bomba axial, mista o radial. Dependiendo de las necesidades que se deban satisfacer.

Equipos e Instrumentacin y Procedimiento

En esta prctica se utilizo un barmetro y el banco de prueba, cuya placa de datos se muestra a continuacin Equipo: Barmetro Marca: CENCO Serie: M6015-AA Modelo:711El banco de prueba constaba de: Computador Software de Adquisicin de Datos Potenciador Interface Device (IFD)

En Anexos A se puede encontrar un esquema de la configuracin para el ventiladora radial y axial.El ventilador radial presenta los siguientes datos:Dimetro ducto de succin: 0.095mDimetro ducto de descarga: 0.07 mCoeficiente de descarga placa orificio: 0.596Dimetro de la placa orificio: 0.075 m

Ventilador axialDimetro ducto de succin: 0.123 mDimetro ducto de descarga: 0.123 mCoeficiente de descarga placa orificio: 0.596Dimetro de placa orificio: 0.1m

Antes de empezar a tomar datos, en el banco de prueba por medio del sistema de adquisicin de datos (SAD), se registro la altura de la columna de mercurio que mostraba el barmetro. El dato de la presin se lo ingreso al SAD para empezar a registrar los datos.Una vez, ingresado el dato de presin al SAD, se procedi a reconocer las partes del banco de prueba, como tambin la ubicacin de los sensores dispuesto a lo largo del mismo.Primero se obtuvo datos caractersticos tanto para el ventilador axial como radial. Para esto se verifica que los sensores de presin a la entrada y salida, como el de temperatura este correctamente conectados. Despus se verifica el numero de posiciones en el parte de descarga, en este caso fueron 15 diferentes posiciones, las cuales sern las posiciones de vlvula, con lo cual se abrir y cerrera dicha vlvula.Abrir totalmente la vlvula de descarga, esperar hasta que los datos mostrados por medio del software en el monitor se estabilicen y seleccionar Take Sample. Entonces cerrar la vlvula a 2/15 de posicin, esperar a que se estabilice y presionar Take Sample. Realizar el mismo proceso hasta cerrar totalmente la vlvula de descarga.Este procedimiento es vlido tanto para el ventilador axial como centrfugo. Una vez termine de recolectar datos para un ventilador, realizar las conexiones necesarias para el otro ventilador y realizar el mismo procedimiento.Curva del sistema.En la segunda parte de la prctica, se busca generar la curva del sistema.Se debe desconectar el sensor piezomtrico en a la entrada del ventilador. Tambin se debe cerrar parcialmente la vlvula de descarga (I.E. cerrada). Por medio de la rapidez de rotacin del ventilador, la cual se controla por su potencia, se realizara el control de flujo.La posicin del potencimetro del motor debe estar en la posicin mxima al empezar la toma de datos, se espero hasta que los datos en la pantalla se estabilizaran para presionar Take Sample.Por medio del potencimetro disminuir la rapidez del ventilador, dicho potencimetro cuenta con 16 divisiones, las cuales permiten variar la potencia hacia el ventilador. Por cada toma de dato gira la perrilla del potencimetro en contra del sentido del reloj hasta que alcance la marca ms cercana.

Resultados

Los datos sin procesar de esta prctica se encuentran en el Anexo A des este documento. En el anexo B se encuentra el procesamiento de datos jutno con el respectivo calculo de incertidumbre, donde se realiza un procediemitno para la turbina Pelton, ya que el procediemitno es el mismo para la tora turbina.En el Anexo C se encuntran las graficas que se han obtendio de esta practica. Se realiza cruvas donde la variable de control es el caudal, y se varia tanto el caudal, como la potencia de la turbina y la eficiencia de las mimsa respecto a la velocidad de la flecha.Las cruvas de isoeficiencia se encuentran para 20%, 40% y 60%, para cada una de las turbinas.El resutlado relevante de la practica, indica que dado un caudal y un cabezal disponible la turbina tiene un punto de mxima eficiencia.Tambien, por medio de las graficas se visualiza que las curvas de isoeficeia son paralelas entre si.

Anlisis de Resultados, Conclusiones y Recomendaciones

Al analizar los datos obtenidos para la turbina Francis se observa que al aumentar el caudal dismiuye la velocidad de la flecha, ademas la al varia la abertura de los alabes directores, al cerralos, su caudal disminuye y la flecha produce una menor velocidad.Al analizar la grafica de Cabezal de turbina versus velocidad, se aprecia que esta depende mas del caudal que del cabezal estatico, tambien se indica que la curva que por medio de una bondad de ajsute la curva que mejor agrupa las observaciones es una polinomica de segundo grado. De igual manera, al cerrar los alabes directores, la potencia que produce la turbina es menor.Al analizar la relacioneficiencia y velocidad de la turbina Francis, se interpreta que la turbina tiene un punto de maxiam eficiencia , para condiciones indicadad de caudal y cabezal disponible, donde la mxima eficiencia se obtien con el mayor cabezal.

Al analizar la turbian Pelton, se observa que la relacin entre caudal y velocidad de eje, permaence constante sin embargo dismiuye en al sobre pasar las 2000 rpm aproximandamente.La grafica obtenida para la potencia en relacin a la velocidad muestra que al reducir la apertura la potencia dismiuye, sin embargo esta no es uan disminucin lineal.Al revisar la grafica de eficiencia versus velocidad, se observa que existe un putno de mxima eficiencia (BEP) para condiciones de caudal y cabezal dados.

Al comprar la turbian Francis con Pelton, senota que el cabezal estatico es difernte entre la una y la otra, mientras que en la turbina Pleton el cabezal es fijo, en la turbina Francis varia.Otra diferencia es la velocidad y el caudal a las que trabaja cada una.

La reduccin de cabezal estatico en la turbina Francis, se debe al cierre de los alabes directores, pero esta a su vez es compesada con uan flujo a amyor velocidad.La turbina Pleton, aprovecha el cabezal, el cual es constante para producir trabajo.La turbian francis, el caudal diminye debido a que por efecto de la fuerza centrpeta parte del fluido se mantien en los alabes,y no puede abandonar los mismo inmediatamente.La ptoetncia depende del caudal, al permitir o restringir el paso del fluido hacia la turbina, por medio de los alabes, o aberturas, se controla la cantidad de flujo que ingrese a al turbina y por ende su potenica.

La incertidumbre para cada uno de los datos obtenidos estn en alrededor de un 15%, lo cual implica que los datos han sido obtenidos adecuadamente y su procesamiento ha sido el correcto.Sin embargo dicho error es producto de la incetribumbre de los instruemntos, que en el caso del freno Prony, como el medidor de cabezal, presentan una baja resolucin debido a que son instruemntos anlogos y no digitales.Por lo mismo se recoemienda el uso de isnturemntos digiitales de lata resolucin para disminuir la incertidumbre.

REFERENCIAS BIBLIOGRFICAS/ FUENTES DE INFORMACIN

White, F. (2008). FLUID MECHANICS. 7th edn. New York, McGraw Hill.Cengel, Y. and Cimbala, J. (2006). , Y. and Cimbala, J. (2006). FLUID MECHANICS: FUNDAMENTALS AND APPLICATIONS. New York, McGraw HillSilva, J. (2014). Practica #3. Guayaquil, ESPOL.Creus, A. (1997). Instrumentacin Industrial. 6 edn. Mxico, D.F., AlfaomegaMcGovern, J. Technical note: Friction Diagrams for Pipe Flow. Dublin Institute of Technology, 2011

ANEXOS A

Imagen 1. Ventilador radial. Cortesa de ARMFIEL SAD.

Imagen 2. Ventilador AXIAL. Cortesa de ARMFIEL SAD.

ANEXOS B

Tabla 1 Datos brutos: Datos de operacin de ventilador axial

dPodPsNTaPe

(Pa)(Pa)(Hz)(C)(W)

50.415220.420149.799728.265725.4274

51.001420.371249.916928.373225.3541

47.435225.012249.565227.889525.4518

32.046941.426448.744527.835825.7205

20.273552.613548.803127.835825.6961

9.868065.266247.953127.835825.9892

7.034670.053747.249627.835826.2823

4.201274.010046.194427.889526.5266

2.589176.746445.578927.889526.7953

1.954077.723544.93427.943326.9174

1.465578.358544.230527.943327.0884

1.172477.625743.3219327.943327.3671

1.074775.964841.973628.050827.6502

1.025873.326840.7718628.104527.8944

0.830469.174438.925228.265728.2364

Tabla 2 Datos brutos: Datos de operacin de ventilador radial

dPodPsNTaPe

(Pa)(Pa)(Hz)(C)(W)

313.9609223.910153.5528.4373.77

280.4961263.459454.2328.4871.32

270.1524279.279254.5527.9470.35

245.8143209.093355.1327.7867.42

222.6932337.082155.927.7364.24

199.5721361.420156.6927.0460.58

174.0171396.101857.5127.9456.67

156.372426.524458.0427.9454.23

141.1607456.94758.4227.8452.27

118.648500.14759.0928.1649.34

110.1297519.00959.328.1648.36

105.8705531.786559.4428.1647.63

101.6114542.738659.5328.2146.64

98.5691539.087959.6528.2746.17

96.7437553.690759.6528.3746.17

ANEXOS C

Procesamiento de datos:Los presentes clculos son validos tanto la turbina Francis como Pelton.De la ecuacin de torque:

Donde:: distancia de brazo de palanca del freno prony: Torque sobre a freno prony: Fuerza entre freno y zapata

Ademas la incetridumbre de la inceridumbre se calcula por medio de la teora de incertidumbres de la siguiente manera:

De igual manera para determinar la potencia generada por el motor se utiliza la ecuacin (2):

Donde:: Potencia generada por la flecha: Torque sobre a freno prony: Velocidad angular de la flecha

Se procede de la mimsa manera para obtener la incetidumbre, por medio de la teroia de errores:

Utilizando la definicin de caudal se obtiene la velocidad en una seccin:

Donde:: Velocidad de fluido en la entrada de la tuberia

El cabezal disponible para la turbina por medio de la ecuacion (4)

Donde:: Cabezal disponible para turbina: Cabezal estatico: Velocidad a la entrada de la turbina: Aceleracion de la gravedad

Para determinar la potencia hidrulica se utiliza la ecuacion (3)

Donde:: Potencia hidrulica: Cabezal disponible para la turbina

La eficiencia del sistema se obtine de la ecuacion (2):

Donde:: Eficiencia

La potencia del ventilador esta dado por la ecuacin (6):

Al utilizar la ecuacin (7) se halla la eficiencia del ventilador:

ANEXOS C

Ventilador Radial:

Figura 1 Ventilador radial. Caudal Vs. Presin Sistema Azul, Presin Sistema Rojo

Figura 2 Ventilador radial. Caudal vs. Potencia verde

Figura 3 Ventilador radial. Caudal vs. Eficiencia anaranjado

Ventilador Axial:

Figura 4 Ventilador axial. Caudal Vs. Presin Sistema Azul, Presin Sistema Rojo

Figura 5 Ventilador axial. Caudal vs. Potencia verde

Figura 6 Ventilador radial. Caudal vs. Eficiencia anaranjado

Tabla 3 Resultados: BEPTipo de ventiladorRadialAxial

Caudal()

Eficiencia435.70

Presin

Potencia201.45

ANEXOS D: Ventilador Radial:

Ventilador Axial:

ANEXOS E:Preguntas EvaluativasCul es el parmetro ms importante para la seleccin del tipo de turbina que se emplear enun proyecto y de qu factores depende este parmetro? Cul es el valor de este parmetropara las turbinas empleadas en esta prctica?Segn xxxx pra determinar el tipo de turbina se utiliza el cabezal disponible, mientras que el caudal ayuda a seleccionar la capacidad de la misma.El cabezal sidponible, es la energia cinetica del fluido en cierto putno i.e. generalemnte el punto mas alto que se puede controlar, que se transformara pro medio de la turbina en energia mecnica.Para esta practica los valores utilziadon fueron:xxx

Para la turbina Francis, cmo puede generalizarse estos resultados para turbinasgeomtricamente similares?