Ventilador axial

Universidad Técnica Federico Santa María Departamento de Industrias

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ILN222 – Gestión Energética I

Informe III de Laboratorio

Ventilador de viento axial

Grupo:

Mónica Rodríguez

Joaquín Sánchez

Esteban Vera

María Jimena Zapata

Profesor:

María Pilar Garate

Ayudante:

Miguel Lecaros

2010


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1. Introducción:

Un ventilador axial 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. El aire

circula por un conducto gracias a la diferencia de presión que existe entre sus extremos. El

objetivo principal del ventilador consiste en desplazar un gran flujo de gas pero a bajas presiones.

Se puede considerar que un ventilador es básicamente una bomba de gas, por lo que su teoría y

funcionamiento serán prácticamente el mismo.

Mediante la siguiente experiencia se busca analizar y comprender de forma experimental el

funcionamiento básico de un ventilador axial y determinar su relación con el fluido mediante sus

curvas características.

2. Objetivos:

A través de este ensayo se pretende cumplir los siguientes objetivos:

Determinar el funcionamiento de un ventilador con flujo axial.

Determinar la curva característica del ventilador y su rendimiento.

Describir los criterios necesarios para la selección de un ventilador de acuerdo a los

requerimientos del sistema.

3. Metodología experimental:

Para la experiencia realizada se utilizó un ventilador axial con un esquema similar al mostrado

en la Figura 1. Se conduce aire a través del tubo de aspiración (1) al ventilador (2), luego de lo cual

sale por el tubo de salida (3) mediante una válvula mariposa (4), la cual opone resistencia al flujo.

Existen sensores a lo largo del tubo que permiten medir el flujo, presión y temperatura del

aire. Estos son convertidos mediante una señal que permite la recuperación directa de datos por

medio de un computador. Se cuenta también con un dispositivo que permite variar la velocidad de

rotación del ventilador y un sensor respectivo que puede medirla.

Se desea primero obtener la relación entre la diferencia de presión y el caudal. Para esto se

procede a fijar una velocidad máxima de rotación del ventilador, y se va variando el flujo del aire

mediante la válvula mariposa. Con una toma de 10 datos se procede a realizar la curva ∆p vs Q.

Por otra parte se desea obtener la relación entre la velocidad de rotación del ventilador y el

caudal. Manteniendo la válvula completamente abierta y sin alterar su posición se procede a

variar el número de revoluciones y registrar el valor del caudal respectivo. Se obtiene de esta

forma la curva de velocidad vs caudal.


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En ambos casos se registra la temperatura indicada por el sensor (T), para posteriormente

corregir la densidad del aire, puesto que esta no esta es su condición más real. Hay que tener en

cuenta que entre cada medición se debe esperar un tiempo para que el sistema se estabilice,

puesto que los valores cambian constantemente.

Figura 1: Esquema experimental del proceso.

4. Resultados:

En la primera parte de esta experiencia, se mantuvo fija la velocidad del ventilador y se varió

la válvula, dando origen a la Tabla 1 (ver Anexos) y al gráfico:

Gráfico 1: Variación de la presión del aire en función del caudal, manteniendo constante la velocidad.

0

10

20

30

40

50

60

0,0000 0,0100 0,0200 0,0300 0,0400 0,0500 0,0600

Pre

sió

n [

Pa]

Caudal [m3/s]

Relación entre presión de impulsión y caudal de entrada


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Por otra parte, se registraron los datos con la válvula mariposa completamente abierta y

variando la velocidad del ventilador (rpm), los cuales se encuentran en la Tabla 2 (ver Anexos). De

lo anterior, se obtuvo el siguiente gráfico:

Gráfico 2: Variación de la velocidad del ventilador en función del caudal, manteniendo la válvula mariposa

completamente abierta.

Finalmente, a partir de la Tabla 2, se obtuvo la relación existente entre la presión y la

velocidad:

Gráfico 3: Variación de la presión en función de la velocidad del ventilador, manteniendo la válvula mariposa

completamente abierta.

1100

1600

2100

2600

0,0220 0,0270 0,0320 0,0370 0,0420 0,0470 0,0520

Ve

loci

dad

[rp

m]

Caudal [m3/s]

Relación entre velocidad y caudal de entrada

2

4

6

8

10

12

14

16

1200 1400 1600 1800 2000 2200 2400 2600

Pre

sio

n [

Pa]

Velocidad [rpm]

Relación entre presión y velocidad


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5. Discusión y Análisis:

1. Demuestre que Ptot = Ps - Pe, usando la ecuación de Bernoulli.

Para esta demostración se hace un Bernoulli entre la entrada y salida de flujo del ventilador,

en este caso aire, teniendo en cuenta la energía que tiene el mismo ventilador.

Como se tiene una misma altura tanto para la entrada y la salida del ventilador, las alturas (z)

respectivas son las mismas. Además hay que tener en cuenta que como el caudal entre estos dos

puntos son los mismos, por continuidad las áreas serán las mismas, así como también se tendrá la

misma velocidad para los dos puntos.

A fin de cuentas, se puede ver que la diferencia de presiones es entre la entrada y la salida.

2. Demuestre que el caudal o velocidad del flujo de aire puede ser estimado solamente a través de la presión estática.

A partir de la ecuación de Bernoulli, se tiene que:

Bernoulli:


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De donde se tiene zE=zS y vE se considera despreciable

Despejando la velocidad:

Luego, por definición del caudal se sabe: AvQ

Entonces:

De donde se puede observar que el caudal dependerá de la presión estática entregada por los sensores. 3. Explique el funcionamiento del ventilador en términos de Q vs ω y p vs Q.

Como se mencionó previamente un ventilador axial se encarga de movilizar el fluido que circula por éste mediante una diferencia de presión entre la entrada y salida, en este caso como la diferencia de presión que ocurre es tan pequeña, no ocurre una compresión del gas por lo que se cumple que el ventilador axial funciona como una “bomba de gas”.

Luego, analizando el gráfico 1 obtenido en la primera parte de la experiencia (utilizando la

máxima velocidad del ventilador), se tiene que existe una relación negativa entre la diferencia de presión y el caudal, es decir que al aumentar el caudal, la diferencia de presión cae, esto se debe a que al aumentar el caudal con el ventilador a su máxima velocidad, éste es capaz de crear una menor diferencia de presión que permite movilizar todo el fluido que transporta.

Por otra parte, analizando los gráficos 2 y 3 obtenidos en la segunda parte de la experiencia, se tiene una relación positiva entre la velocidad del ventilador y el caudal, ya que está


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aumentando la capacidad del ventilador para movilizar mayor cantidad de fluido, lo mismo ocurre en la relación positiva entre la diferencia de presión y la velocidad del ventilador, ya que aumenta la capacidad del ventilador para imprimirle energía en forma de presión al fluido e impulsarlo. 4. Evalúe el rendimiento del ventilador. Considere que la potencia promedio requerida por el ventilador es de 16 (W). Esta potencia es constante independiente del número de revoluciones y del caudal entregado por el ventilador.

El rendimiento del ventilador se obtiene de la siguiente forma:

Al tener ya el dato de la potencia eléctrica, la cual es de 16[W], solo basta conocer cómo

obtener la potencia hidráulica, y este se consigue de la siguiente manera:

Utilizando los datos de la Tabla 1, se calculan las potencias hidráulicas correspondientes y

a partir de éstas y la potencia eléctrica entregada, las eficiencias (ver anexos, Tabla 3).

Ya con estos datos, podemos ver que las presiones hidráulicas obtenidas en esta experiencia

son muy pequeñas comparadas con la potencia eléctrica que nos dan, dando paso a que se

obtenga una eficiencia muy pequeña, mostrando que los ventiladores necesitan ocupar mucha

potencia eléctrica, para entregar una potencia hidráulica muy baja.

Estas eficiencias varían entre 0% y casi un 7%, dejando en claro que la eficiencia que entrega

el ventilador es muy pequeña, mostrando que lo expuesto anteriormente se rectifica aún más.

5. Deduzca el funcionamiento del ventilador para las siguientes condiciones atmosféricas (P=740 mmHg, T=278 K). Considere que las potencias absorbidas y el flujo másico varían directamente con la densidad.

Con los datos entregados se tiene: T=4,85 [°C], P=0,973 [atm], además se conoce ρ0=1.293 [Kg/m3]. Con lo cual se puede calcular la nueva densidad para las condiciones planteadas mediante la ecuación:


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Es decir, tanto la densidad como la presión ambiental disminuyen en comparación a los valores de referencia que se tenían.

Además, sabiendo que la velocidad se obtiene de la forma:

Se tiene que, con los datos mencionados anteriormente, la nueva velocidad será mayor,

principalmente porque la densidad en esta nueva situación es menor. Por lo tanto, la relación proporcional (mencionada anteriormente) que existe entre el flujo

másico y la velocidad ocasionará un aumento del caudal impulsado, lo cual a su vez influirá en la potencia hidráulica y ésta última en la eficiencia del ventilador, haciendo aumentar ambos términos:

6. Explique los criterios para seleccionar un ventilador, basándose en las curvas obtenidas en el punto 3.

Para la selección de un ventilador axial, es necesario conocer con que fluido se trabajara y en qué condiciones, entre las que se encuentran la presión del sistema, caudal requerido, temperatura del sistema, entre otras. Estas variables son las que determinan la curva del sistema, la cual se debe interceptar con las curvas características de los ventiladores que podrían cumplir con los requerimientos requeridos. Con la intercepción de estas dos curvas se obtiene un punto de operación, que dependiendo de la eficiencia a la que trabaje el ventilador (que a su vez depende de la potencia hidráulica del ventilador y el consumo eléctrico), se decidirá cuál es el más óptimo, teniendo en cuenta que además se busca minimizar costos y desperdiciar la menor cantidad de energía eléctrica por la cual se paga. 6. Conclusiones:

Mediante la ecuación de Bernoulli se puede verificar que ∆P = Ps – Pe, ya que para ambos

puntos se tiene una altura y una velocidad igual por la ecuación de continuidad. Esta diferencia de


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presión es muy pequeña en el caso de un ventilador axial, por lo que este funciona como una

bomba de gas.

También a través de la ecuación de Bernoulli se comprueba el principio de conservación de la

energía, y además se puede calcular el caudal que fluye por el ventilador, mediante la diferencia

de presión:

A partir del gráfico de ∆P vs Q se tiene que existe una relación negativa entre estas variables,

ya que a mayor caudal, menor es la diferencia de presión. Precisamente esta es una de las

características principales de un ventilador axial, el cual puede trabajar con grandes flujos y

pequeñas diferencias de presiones.

Se tiene mediante los gráficos v vs Q y ∆P vs v, una relación positiva entre sus variables tanto

para la velocidad del ventilador y el caudal como para la diferencia de presión y la velocidad. La

primera se debe a que al aumentar la velocidad del ventilador, este desplaza una mayor cantidad

de fluido. Lo mismo ocurre con la presión, ya que al tener una mayor velocidad, el ventilador le

entrega una mayor energía en forma de presión al fluido, con lo cual logra impulsarlo.

Se pudo comprobar que el rendimiento de los ventiladores es relativamente bajo, ya que la

eficiencia obtenida estaba en un rango de 0% a 7%. Esto muestra que los ventiladores necesitan

usar mucha potencia eléctrica para ceder una pequeña potencia hidráulica, es decir necesita de

mucha energía para realizar poco trabajo.

Finalmente los criterios para poder seleccionar un ventilador en la forma más adecuada son principalmente el fluido con el cual se trabaja, la presión del sistema, caudal requerido, velocidad de funcionamiento, eficiencia, temperatura y consumo eléctrico. Lo más importante, sin embargo, es tener en cuenta la curva característica del sistema y la del ventilador, ya que a través de la intersección de estas dos se puede obtener el punto de operación óptimo que se requiere.


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7. Anexos:

Medidas con velocidad máxima fija y válvula variable

Caudal [m3/s] Presión de impulsión

[Pa] Velocidad

[rpm] Temperatura [°C]

0,0534 14 2555 13

0,0486 19 2554 14

0,0447 25 2554 14

0,0365 26 2554 14

0,0276 29 2613 13

0,0243 34 2594 13

0,0215 38 2592 13

0,0181 40 2580 14

0,0127 42 2560 14

0,0000 52 2583 15

Tabla 1: Datos obtenidos del ventilador con velocidad máxima y variación gradual de válvula mariposa.

Medidas con válvula abierta fija y velocidad variable

Caudal [m3/s] Presión de impulsión

[Pa] Velocidad

[rpm] Temperatura [°C]

0,0242 3 1254 14

0,0253 3 1275 14

0,0327 5 1636 14

0,0343 6 1667 14

0,0364 6 1730 13

0,0438 9 2119 13

0,0481 12 2367 13

0,0499 12 2411 13

0,0516 13 2493 13

0,0519 14 2574 14 Tabla 2: Datos obtenidos del ventilador con válvula mariposa completamente abierta y variación de velocidad.

Potencia Hidráulica [W]

Eficiencia [%]

0,748 4,676

0,924 5,773

1,117 6,979

0,949 5,931

0,799 4,994

0,826 5,165

0,816 5,100

0,724 4,528

0,533 3,332

0,000 0,000 Tabla 3: Datos obtenidos de Tabla 1 según sus presiones y caudales, para así obtener eficiencia.

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