Ventiladores.docx

ESCUELA DE INGENIERÍA MECÁNICA, UNIVERSIDAD INDUSTRIAL DE SANTANDER LABORATORIO DE SISTEMAS DE TRANSPORTE Y APROVECHAMIENTO DE FLUIDOS GRUPO J4 – (LOS DIOSES DEL OLIMPO) I SEMESTRE ACADÉMICO DE 2018

INFORME LABORATORIO DE VENTILADORES CENTRIFUGOS

RESUMEN En el siguiente trabajo se pretende estudiar las variables que intervienen en el funcionamiento de un ventilador centrífugo, se establece el punto óptimo de funcionamiento. Dichas variables que interfiere en el caudal del ventilador serán la apertura que se encuentra la válvula, el número de rpm entre otras. El banco de laboratorio será un ventilador HVCB/HVCC, donde estará conectado al programa del computador, en el programa nos darán resultados del caudal a diferentes variables dadas. PALABRAS CLAVE Caudal, rpm, densidad, ventiladores, válvula, aspas, aire, alabes, rodete. INTRODUCIÓN El cambio climático es una de las causas primordiales de protección en el mundo, teniendo en cuenta que cada año aumenta la temperatura de forma alarmante donde a causa de ella el ecosistema ha variado; considerando que han desaparecido especies de animales y plantas. En época de verano es considerable ver la afectación del cambio climático, porque muchos ríos se secan, los cultivos no soportan la elevada temperatura y a medida que pasan los días va escaseando el agua. Para las épocas de verano donde la temperatura es alta, el cuerpo humano no soporta dichas temperaturas, debido a la deshidratación y el agotamiento del cuerpo; se tuvo necesidad de crear soluciones para contrarrestar el calor recibido al cuerpo. Una solución para evitar la sensación de calor en un recinto cerrado es el ventilador. Un ventilador es una máquina capaz de impulsar o mover un gas como consecuencia del incremento de presión que produce. Uno de los primeros ventiladores semi-mecánicos ya se usaba 500 años antes de Cristo en la India y Medio Oriente. El “punkah” era un ventilador que se colgaba del techo, cubierto por un marco de tela, que funcionaba cuando los sirvientes (o “punkawallahs”) tiraban unas cuerdas que permitían mover el ventilador. Uno de los primeros ventiladores mecánicos o “bomba de aire” apareció en 1832, construido por Omar-Rajeen Jumala. El aparato usaba grandes aspas metálicas o de madera y estaba pensado para la industria. Las hojas eran impulsadas 1 Tomado de:FAYERWAY - https://www.fayerwayer.com/2011/11/elorigen-de-el-ventilador/

inicialmente con ruedas hidráulicas, y se usaron en minas de carbón y fábricas.1 Al pasar los años, el uso del ventilador se involucró en la industria teniendo gran acogida e importancia en diversos campos. Uno de los campos industriales está en el transporte, donde partículas de solidas son movidas por una corriente de fluido a gran velocidad. Este proceso tiene gran eficiencia debido a que se podrá tener velocidades elevadas en partículas muy pequeñas, de manera que quedaran suspendidas en el fluido. También es usado el ventilador para asistir a un intercambiador de calor con funciones de disipador o de radiador, con el fin de aumentar la transferencia de calor entre sólido y aire o entre fluidos que interactúan. Se utiliza un ventilador; generalmente centrífugo, en los quemadores de las calderas de combustibles, tanto líquidos como gaseosos, para aportar el aire necesario a la combustión y facilitar la mezcla combustible-comburente en el interior del hogar. Los dispositivos de ventilación utilizados en lugares en los que se requiere más ventilación que la natural proporcionada por los huecos de fachadas, son ventiladores que extraen el aire viciado y provocan la entrada de aire fresco por depresión, o bien, impulsan aire fresco y evacúan el aire viciado por sobrepresión. A pesar de que no existe convenio alguno universalmente adoptado; los ventiladores pueden subdividirse en cuatro grupos:  Ventiladores de baja presión: hasta una presión del orden 200 mm c agua (ventiladores propiamente dichos).  Ventiladores de media presión: entre 200 y 800 mm c agua (soplantes).  Ventiladores de alta presión: entre 800 y 2500 mm c agua (turbosoplantes).  Ventiladores de muy alta presión, mayor de 2500 mm c agua (turbocompresores). En función de la trayectoria del fluido, todos estos ventiladores se pueden clasificar en: Ventiladores centrífugos (de flujo radial), suelen proporcionar saltos de presión medios o altos y caudales bajos.

Ventiladores axiales, para caudales más elevados, proporcionan saltos de presión bajos. Ventiladores tangenciales, comparten características de las máquinas de desplazamiento positivo y de los ventiladores centrífugos. Los ventiladores centrífugos son radiales, de modo que el gas sale radialmente al eje del ventilador. Los ventiladores centrífugos son normalmente usados para aplicaciones en las que es necesaria mayor presión de trabajo que la que proporcionan los ventiladores axiales.2 En los ventiladores centrífugos HVCB/HVCC el principal objetivo es analizar los parámetros claves de operación de la unidad en el desempeño con un rotor que tiene alabes hacia adelante. Variando la apertura de la válvula y el número de rpm que afectara el caudal que pasa por el sistema. 3 METODOLOGÍA Los implementos utilizados en la práctica fueron:  Ventilador didáctico centrifugo HVCB/HVCC  Válvulas de mariposa  Computador  Alabes  Motor  Tubería  Sensores  Consola de control  Manómetros La siguiente figura muestra el banco de laboratorio de un ventilador centrifugo HCVB/HVCC

Figura 2. Consola de control

Variación de apertura de la válvula 1 Con el montaje del laboratorio procedemos a tomar datos del caudal variando la apertura de la válvula 1 (válvula superior del sistema); comenzando con una apertura vertical variamos con el tiempo dicha apertura hasta llegar a tener la válvula cerrada (posición horizontal). Los datos son tomados por medio del computador. Variación de apertura de la válvula 2 Teniendo el mismo montaje anterior se procede a tomar datos del caudal, pero en esta ocasión se debe variar la válvula 2 (válvula inferior del sistema); el punto inicial de dicha válvula será cuando se encuentre horizontal, al tenerla horizontal se varia a medida del tiempo como se hizo con la anterior hasta llegar a una posición final para caudal de entrada 0 m3/h, en este instante la válvula se deberá encontrar verticalmente. Variación de apertura de válvulas del sistema Ahora se debe variar al mismo tiempo las dos válvulas, para este caso será más complicado que la variación sea la misma, porque todas las variaciones serán manualmente. Todos los resultados son guardados en el computador a través del programa utilizado en la práctica. Variación de velocidad del sistema Con el montaje del ventilador didáctico centrifugo HVCB/HVCC se procederá a variar la velocidad del sistema a través del tiempo, se comienza con una velocidad máxima del 100%, hasta una velocidad 0. La variación de la velocidad no será lineal porque será complicado hacerlo manualmente.

Figura 1. Ventilador centrifugo didáctico HVCB/HVCC

Análisis de variables con respecto al caudal En esta parte tendrá porcentajes para las variables de apertura de válvula y rpm. Estos porcentajes serán variados cada 25%; teniendo como resultados de funcionamiento el caudal. En la tabla 1 se tiene el resultado del caudal según el porcentaje de cada variable. Análisis te densidad del aire 𝑃 𝜌= (1) 𝑅∗𝑇

2 Tomado de: Edibon - Manual de prácticas ventiladores didácticos HVCB/HVCC

3 Tomado de: Edibon - Manual de prácticas ventiladores didácticos HVCB/HVCC. Fundamento teórico. Introducción.

Análisis de eficiencia: 𝑃𝑒𝑛𝑒𝑟𝑔𝑖𝑎 𝜂= (2)

Presion vs Tiempo

𝑃𝑚𝑜𝑡𝑜𝑟

700,000

600,000 500,000 Presion

RESULTADOS La densidad del aire que pasa por el sistema es: 0,0001323 kg/m3 La siguiente grafica presentamos el comportamiento de la presión con la variación en el tiempo de la válvula 1:

400,000 300,000 200,000

100,000

Presion vs Tiempo

0

800,000

0

5

10

15

20

700,000

25

30

35

40

45

Tiempo

600,000

Presion vs Tiempo

Presion

500,000 Presion vs Tiempo

400,000 300,000

200,000

Lineal (Presion vs Tiempo)

y = -13749x + 749795 R² = 0.8111

100,000

Gráfica 3: Presion vs Tiempo, variación de las dos válvulas gradualmente y aproximadamente a la misma velocidad. Fuente: Autores.

0 0

10

20

30

40

Caudal vs RPM Valvulas Totalmente abiertas

50

Tiempo

Gráfica 1: Presion vs Tiempo variación de la válvula 1 (válvula superior) Fuente: Autores

Presion vs Tiempo 800,000

Caudal

-100,000

800 600 400 200 0 0

700,000

10

20

Presion

30

40

50

RPM

600,000

500,000 400,000

Gráfica 4: Caudal vs RPM (Ventilador). Fuente: Autores.

300,000 200,000

y = -12358x + 680284 R² = 0.9611

100,000

0 0

10

20

30

40

50

Tiempo Presion vs Tiempo

Lineal (Presion vs Tiempo)

Gráfica 2: Presion vs Tiempo variación de la válvula 2 (Válvula Inferior) Fuente: Autores. Se observa que al ir variando la apertura de las válvulas de manera individual, el caudal va disminuyendo de forma polinómica donde al momento de tenerlas totalmente horizontal y/o vertical (cerradas) el caudal en el sistema será nulo. El cierre de las válvulas se hizo gradualmente sin medir el porcentaje del mismo, pero los datos para obtener el análisis se tomaron a partir de un tiempo que aparece en el eje de las abscisas en las gráficas anteriores. Para obtener un resultado más detallado se hizo una práctica variando las dos válvulas al mismo tiempo (succión y escape) y la siguiente gráfica explica el comportamiento del caudal respecto al tiempo de cierre gradual con que se realizó el mismo.

Según el comportamiento de la tendencia de la gráfica, el caudal aumenta a medida que la velocidad angular del rotor del ventilador aumenta, lo que nos hace concluir que el caudal de una instalación para transportar un fluido (en este caso el aire) depende la velocidad que tenga el impulsor de dicho fluido. En la siguiente tabla se presenta los datos tomados para diferente apertura de válvulas y diferentes velocidades en el laboratorio: % Apertura de Velocidad sistema Caudal [m3/h] válvula (%rpm) 75 50 380 0

50

0

25

50

113

75

100

512

50

75

335

100

0

0

25

25

196

50

0

0

25

100

157

75

75

445

25

0

0

50

100

376

0

100

0

75

0

0

0

0

0

50

50

306

100

50

601

100

75

702

100

100

720

75

25

314

0

75

0

100

25

500

50

25

232

0

25

0

25

75

137

Tabla 1. Resultado del caudal respecto a la apertura de la válvula y la velocidad del sistema Se observa que la apertura de las válvulas y la velocidad del sistema tienen relación con el caudal de H2O transportado en el sistema. Donde el punto óptimo de funcionamiento estará dado en la apertura de válvula 100% y el equipo trabajando a su máxima velocidad 100%; en estas condiciones tendremos un caudal de 720 m3/h. Se observa también que al estar completamente cerrada la válvula no habrá caudal, y al no tener velocidad 0 en la sistema no habrá caudal. La siguiente grafica tendremos el comportamiento en porcentaje de las variables (apertura de válvulas y RPM) con respecto al caudal en cada una de ellas.

En esta grafica observamos como interfiere cada variable en el funcionamiento del ventilador, donde a medida del porcentaje de cada uno se tendrá un caudal diferente. La variable que tendrá mayor efecto en el caudal será la apertura de válvula, puesto que tiene una diferencia de 150 m3/h mayor que la velocidad.

Grafica 6: Caudal vs %Apertura de válvula con respecto al % de velocidad. Fuente: Minitab. Se observa una variación considerable del caudal respecto a la apertura de la válvula, donde su mayor caudal será con apertura 100% y la velocidad del sistema 100%. El caudal aumenta al aumentar los dos porcentajes. En la siguiente grafica de se mostrara el comportamiento del caudal respecto al porcentaje de velocidad del sistema en un diagrama de Pareto.

Grafica 7: Caudal vs %velocidad en rpm. Fuente: Minitab. En la gráfica anterior notamos como influye en el caudal la apertura de la válvula, donde a mayor apertura mayor será el caudal. Esta relación será polinomica. Grafica 5: Grafica referencia entre Caudal vs apertura de válvula (izquierda) y Caudal vs Velocidad (derecha) Fuente: Minitab.

En el siguiente diagrama de Pareto se analizara el comportamiento del caudal respecto al porcentaje de apertura de la válvula:

Variando válvula 2 Fuente: Autores

Eficiencia vs Tiempo 25

Eficiencia

20 15 10

Eficiencia vs Tiempo

5 0 0

10

20

30

40

50

Tiempo

Grafica 11: Eficiencia vs Tiempo Variando las dos válvulas Fuente: Autores

Grafica 8: Caudal vs %apertura de válvula. Fuente: Minitab. En la gráfica anterior notamos como influye en el caudal la velocidad del sistema, donde a mayor velocidad mayor será el caudal. Esta relación será polinómica. La siguiente grafica tomamos datos de eficiencia vs tiempo a través de la ecuación (2)

Notamos que la eficiencia va disminuyendo en la medida que pasa el tiempo y se cierra la válvula. CONCLUSIONES 

Eficiencia vs tiempo



18

16 14



Eficiencia

12

10 8

Eficiencia vs tiempo

6 4

Se pudo establecer que las variables consideradas influyen en el caudal. Donde la apertura de la válvula será la que más afecta. El caudal de un sistema, en este caso del ventilador del banco de trabajo, depende de una sola válvula, y esta válvula es la de menor apertura. El caudal del sistema además de depender de la apertura de las válvulas, depende también de la velocidad angular con la gira el impulsor (Ventilador).

REFERENCIAS BIBLIOGRAFICAS

2 0 -2 0

10

20

30

40

50



Edibon. MANUAL DE PRACTICAS VENTILADOR CENTRIFUGO HVCB/HVCC



Wikipedia La enciclopedia libre. Capa de ozono. Wikipedia [en línea] https://es.wikipedia.org/wiki/Capa_de_ozono [revisado 13 de octubre de 2017]



FAYERWAY. Origen del ventilador. https://www.fayerwayer.com/2011/11/el-origen-de-elventilador/ [revisado 13 de octubre de 2017]



Minitab. Programa matemáticos.

Tiempo (s)

Grafica 9: Eficiencia vs Tiempo. Variando válvula 1 Fuente: Autores

Eficiencia vs tiempo 16 14 Eficiciencia

12

10 8 6 4 2

0 0

10

20

30

40

50

Tiempo Eficiencia vs tiempo

Grafica 10: Eficiencia vs Tiempo.

ANEXOS  CALCULOS

para

cálculos

y

análisis

Caudal: con ayuda del programa Minitab se obtuvo una ecuación para analizar el caudal respecto a la velocidad y el porcentaje de apertura de las válvulas 𝐶𝑎𝑢𝑑𝑎𝑙 =241.0- 241.0 Apertura val_0- 120.4 Apertura val_25 + 8.760 Apertura val_50+ 89.16 Apertura val_75 + 263.6 Apertura val_100 - 241.0 rpm_0 + 7.360 rpm_25 + 38.96 rpm_50 + 82.76 rpm_75 + 112.0 rpm_100 + 241.0 Apertura val*rpm_0 0- 7.360 Apertura val*rpm_0 25- 38.96 Apertura val*rpm_0*50- 82.76 Apertura val*rpm _0*75- 112.0 Apertura val*rpm_0*100+ 120.4 Apertura val *rpm_25*0+ 68.04 Apertura val*rpm_25*25- 46.56 Apertur a val*rpm_25 50 - 66.36 Apertura val*rpm_25 75 - 75.56 Apertura val*rpm_25*100- 8.760 Apertura val*rpm _50*0- 25.16 Apertura val*rpm_50*25+ 17.24 Apertura val *rpm_50 50+ 2.440 Apertura val*rpm_50 75 + 14.24 Apertura val*rpm_50*100- 89.16 Apertura val*rpm _75*0- 23.56 Apertura val*rpm_75*25+ 10.84 Apertura val *rpm_75*50+ 32.04 Apertura val*rpm_75*75+ 69.84 Apert ura val*rpm_75*100- 263.6 Apertura val*rpm_100*0- 11.96 Apertura val*rpm_100 25 + 57.44 Apertura val*rpm_100 50+ 114.6 Apertura val*rpm_100*75+ 103.4 Apertura val*r pm_100 100