Banco de ensayo de ventiladores

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1 Banco de ensayo de ventiladores Área de Mecánica de Fluidos Centro olitécnico Superior Universidad de Zaragoza rof. Francisco Alcrudo Técnico Especialista edro Vidal rof. Javier Blasco 0. Requisitos para la realización de la práctica El alumno debe disponer de bolígrafo o lápiz, papel y calculadora en el laboratorio. Es necesario haber estudiado previamente la práctica, en especial la introducción teórica y la descripción de la instalación. 1. Introducción Teórica Un ventilador puede definirse como una máquina hidráulica impulsora para gases. Si el cambio en la densidad del gas al atravesar la máquina es pequeño (lo que ocurre cuando el salto de presión,, es también pequeño), la teoría desarrollada para máquinas hidráulicas será perfectamente válida para el estudio de los ventiladores. En general para saltos de presión inferiores a 300 mm.c.a. (milímetros de columna de agua) es decir unos 3000 a, se habla de ventiladores y para saltos de presión superiores a 1000 mm.c.a (10 4 a) se habla de turbocompresores. A su vez, pueden distinguirse ventiladores de: Baja presión: ~ 100 mm.c.a Media presión: entre 100 mm.c.a. y 300 mm.c.a Alta presión: entre 300 mm.c.a. y 1000 mm.c.a Atendiendo a la geometría y evolución del flujo dentro de la máquina se pueden distinguir: Ventiladores centrífugos: De flujo radial, suelen proporcionar saltos de presión medios o altos y caudales bajos. Ventiladores axiales: ara caudales más elevados, proporcionan saltos de presión bajos. Ventiladores tangenciales: Comparten características de las máquinas de desplazamiento positivo y de los ventiladores centrífugos. Cuando se trabaja con ventiladores es usual describir su funcionamiento en términos del salto de presión total,, en lugar de altura de impulsión, H, como función del caudal, Q. La relación entre el salto de presión total y la altura de impulsión es obviamente: = ρgh siendo ρ la densidad del gas impulsado (en el caso del aire p=1, Kgr/m 3 en condiciones estándar o ambiente).

2 Las curvas características de un ventilador son similares a las de una bomba pero se suelen expresar como en función de Q. Su forma depende, al igual que en las bombas, fundamentalmente del tipo de máquina y del diseño del actuador o rodete. Es bastante frecuente que los ventiladores centrífugos de alta presión presenten una curva característica con forma de silla (un mínimo relativo), más típico de diseños axiales, debido al empleo de álabes curvados hacia adelante. Una curva característica de este tipo se muestra en la figura 1. Una parte considerable de la presión suministrada por el ventilador lo es en forma de presión dinámica, d, ya que la velocidad de salida del fluido suele ser más alta que en el caso de bombas. De forma que el salto de presión total proporcionado por el ventilador es la suma del salto de presión dinámica más el salto de presión estática: = + d e En el caso de una instalación en la que el ventilador aspira de la atmósfera e impulsa aire a través de un conducto como indica la figura se pueden calcular fácilmente los saltos de presión estática y dinámica. Aplicando la ecuación de la energía entre la entrada y la salida se tiene para el incremento de energía o presión total a través del ventilador: 1 1 = + ρv + ρgz + ρv + ρgz S E

3 donde el subíndice S corresponde a la salida y E a la entrada. Se debe tener en cuenta que las cotas de entrada y salida son las mismas ( z E = z S ). Además, la velocidad del aire aguas arriba de la aspiración, donde se tiene la presión atmosférica, es cero. or tanto: 1 = + ρ v = + S atm S S e d Como se ve, en una configuración como la indicada, el salto en la presión estática se corresponde con el valor de la presión manométrica en salida de ventilador, y el salto en la presión dinámica con la energía cinética de flujo a la salida (supondremos un perfil de velocidades uniforme): 1 = ρ v = d S S e S atm La dependencia de las presiones dinámica y estática en función M caudal tiene una forma como la indicada en la figura 3: Relaciones Adimensionales El análisis dimensional proporciona los siguientes parámetros adimensionales correspondientes al intercambio energético en un ventilador: = arámetro adimensional de presión ρ N D Q Q = arámetro adimensional de caudal 3 ND W W = arámetro adimensional de potencia 3 5 ρn D gh H = arámetro adimensional de altura N D donde Q es el caudal, N es el número de vueltas por segundo a las que gira el rodete y D es el diámetro del rodete.

4 En general, en ventiladores no se utiliza el parámetro de altura de impulsión H ya que tampoco se utiliza la altura H como variable. Se ha incluido aquí con el único fin de remarcar la diferencia con el parámetro de (salto) de presión, que es el comúnmente utilizado en ventiladores. Nótese que la única diferencia entre ambos es la densidad del gas que aparece en el denominador del parámetro de presión. Respecto a este último, debe notarse que la fórmula expresada vale tanto para la presión estática, la dinámica y la total proporcionada por el ventilador.. Descripción de la instalación La instalación completa de ensayo consta de un ventilador centrífugo de media presión marca SODECA modelo CMA 58 T-1. La velocidad de accionamiento es variable mediante un convertidor de frecuencia. Las condiciones de trabajo nominales suministradas por el fabricante se detallan a continuación: Temperatura: 0 ºC resión atmosférica: 760 mm Hg Densidad del aire: kg/m3 Velocidad de giro: 780 rpm Caudal máximo: m3/s resión estática máxima: 180 mmhg Diámetro rodete: 63 mm Figura 4: Esquema de la instalación

5 El ventilador está conectado al resto de la instalación a través de una reducción de diámetro con la conducción que soporta toda la instrumentación, de diámetro interno D=153,6 mm. La disposición de la instrumentación (tubos de itot, manómetros etc... ) está realizada respetando las distancias recomendadas por la normativa española UNE 100 1/13/14-90 que regula el ensayo de ventiladores. Un esquema de la instalación se muestra en la figura 4. En cuanto a los instrumentos de medida regulación y acondicionamiento M flujo, se dispone a partir de la boca M ventilador de un panel de nido de abeja de aluminio, tubo de itot, venturímetro, válvula de regulación de mariposa, derivación con válvula de salida, tubo de itot y placa de orificio. Dependiendo de las circunstancias puede ocurrir que no todos los elementos estén montados en la instalación. El único fin del panel de nido de abeja es la regularización del flujo a la salida del ventilador y disminuir, al menos en parte, la turbulencia de remolinos más grandes. Tubo de itot Los tubos de itot se utilizan para medir localmente la velocidad del flujo. En realidad se mide la presión dinámica local en el extremo del tubo como la diferencia de presión total en la boca y la presión estática en la pared. 1 d = t e = ρv Siendo ρ la densidad del gas circulante (en nuestro caso aire). La presión total, t, es la obtenida en la boca del tubo y la presión estática, e, la obtenida en los orificios de su pared lateral. Despejando de la fórmula anterior la velocidad vale: v = ( ) t e ρ aire Si las presiones se expresan en ascales y la densidad en kgr/m3 ( ρ aire =1,046 kgr/m3 en condiciones normales de =760mmHg y T=0ºC) la velocidad se obtiene en metros por segundo. ara medir la presión total y estática las dos salidas correspondientes del tubo de itot están conectadas a dos micromanómetros de tubo inclinado. La presión total y estática pueden medirse independientemente si las salidas correspondientes se conectan a tubos inclinados diferentes con un brazo abierto a la presión atmosférica que sirve de referencia. Este modo de proceder es bastante útil ya que nos proporciona una medida de la presión estática que es un dato necesario y nos evita tener que utilizar tomas de presión independientes para obtenerla. Si no es necesario conocer la presión estática, y sólo se busca la presión dinámica, d, entonces basta con conectar las dos salidas del tubo de itot al mismo manómetro de tubo inclinado y su lectura nos dará directamente la resión dinámica normalmente en milímetros de columna de agua. Si llamamos h a la altura en milímetros de columna de agua proporcionada por el manómetro de tubo inclinado para la presión dinámica, entonces: d = ρ agua gh y la velocidad, v:

6 v = ρ agua 1000ρ gh aire Sustituyendo valores en condiciones normales, se obtiene para la velocidad en metros por segundo: v= 4.04 h h en mm.c.a. Generalmente basta con esperar entre 10 y 0 segundos para obtener una medida estable de la presión dinámica y por tanto de la velocidad. Es muy importante al realizar medidas con tubo de itot asegurarse de que el tubo está perfectamente alineado con la dirección de la corriente. En realidad la fórmula numérica escrita arriba para la velocidad es estrictamente correcta sólo si se trabaja en condiciones estándar o ambiente, es decir si la presión estática es 760 mmhg y la temperatura 0%. Téngase en cuenta que esto no va a ser nunca estrictamente cierto ya que en el interior del conducto de soplado difícilmente se tendrá una presión estática de 760 mmhg cuando el ventilador esté funcionando aun cuando la presión ambiente lo sea. La fórmula corregida teniendo en cuenta la variación de la densidad del aire con la presión y la temperatura es: ρ gh T T v= = ρ T T agua 0 atm 0 atm 0 0 atm e 0 atm e h con T en grados keivin,.=760mmhg, atm la presión atmosférica durante el ensayo en mmhg y e la presión estática absoluta en mmhg. La indicación del manómetro de tubo inclinado, h, en mm.c.a. como en la fórmula simplificada. En general estas correcciones son pequeñas cuando se trabaja con aire ambiente. Medida del Caudal mediante tubo de itot ara obtener una medida del caudal por medio de tubos de itot es necesario realizar un sondeo normalizado en toda la sección del conducto, S. Con ello se puede obtener una valor de la velocidad media, v, y de ahí el caudal, Q, como producto de S por v. ara obtener de manera fiable la velocidad media es necesario realizar un promedio de medidas de la velocidad local en 6 puntos determinados a lo largo de tres diámetros del conducto. Si por dificultades de acceso sólo se puede medir en dos diámetros, éstos deben formar ángulo recto y tomarse datos de la velocidad en las siguientes 10 posiciones XID a lo largo del diámetro: X/D = 0,019 0,077 0,153 0,17 0,361 0,639 0,783 0,847 0,93 0,981 Si los valores obtenidos de la velocidad en cada una de las posiciones x, es v, la velocidad promedio en el conducto, v, se calcula como la media aritmética: v media 10 1 = vi 10 i= 1 y el caudal, Q, que circula por el conducto:

7 Q= vmedias siendo v.., la velocidad media calculada anteriormente y S la sección del conducto. Si por alguna razón no es posible obtener medidas de la velocidad más que a lo largo de un sólo diámetro se tomarán en los diez puntos especificados arriba. Medida de presión mediante el transductor de presión Se ha instalado un transductor de presión de la marca Fischer-orier de membrana con un rango de a para medir la presión estática en el conducto. La lectura se realiza a través de un marcador digital que proporciona directamente la presión estática manométrica en ascales. 3. Realización de la ráctica El objetivo fundamental de esta práctica consiste en obtener la curva característica del ventilador y comprobar los efectos de escala mediante el ensayo a dos velocidades de accionamiento diferentes. ara ello primero deberá familiarizarse con la instalación y los diferentes instrumentos de medida. La instrumentación de la instalación puede sufrir variaciones, pero siempre será posible realizar el ensayo utilizando un sólo tubo de itot con el que se puede medir el caudal y la presión estática en el conducto de impulsión. 3.1 Familiarización con la instalación El alumno debe familiarizarse con todos los elementos de la instalación. En especial con los instrumentos de medida, el accionamiento eléctrico del ventilador y la válvulas de regulación. rimero realice una inspección visual identificando cada elemento y posteriormente ponga en marcha el ventilador y obtenga lecturas de cada instrumento, asegurándose de que son realistas. osteriormente accione la válvula de regulación y vuelva a obtener lecturas comprobando que son fiables. Antes de comenzar a tomar medidas asegúrese de que entiende el funcionamiento de todos los elementos. 3. Obtención de una correlación entre el caudal y la velocidad máxima Como se ha explicado en la introducción teórica, la obtención del caudal circulante utilizando el tubo de itot requiere la realización de un sondeo en el conducto, es decir tomar medidas de la velocidad local en al menos 10 puntos a lo largo de un diámetro del conducto. Como se precisa medir el caudal para varios puntos de funcionamiento este procedimiento alargaría innecesariamente la práctica. ara evitar realizar un sondeo con el tubo de itot para cada valor del caudal se realizará primero una correlación del caudal circulante con el valor de la velocidad local en el centro del conducto. ara ello se procederá como sigue:

8 1. Arranque el ventilador. Cuando haya alcanzado la velocidad de régimen nominal N=800rprn disponga la válvula de regulación completamente abierta. El funcionamiento del ventilador con la válvula de regulación totalmente abierta se conoce como funcionamiento a Escape Libre.. Realice un sondeo de la velocidad en el interior del tubo de acuerdo con lo explicado en la sección anterior y vaya rellenando la tabla de la hoja de respuestas. 3. Mida también la presión dinámica en el centro del tubo X/D=0,5 y anote su valor en la tabla. 4. Calcule las velocidades correspondientes y rellene la columna de la tabla. Calcule también la velocidad, v 0.5, en el centro del conducto (en X/D=0,5) y anótela en el lugar correspondiente de la tabla. 5. Calcule la velocidad media v media. A continuación calcule la relación entre la velocidad media y la velocidad en el centro del conducto, α = vmedia / v0.5. A partir de ahora supondremos que esa relación se mantiene constante para cualquier caudal, de forma que mediremos la velocidad en el centro del tubo y multiplicándola por α obtendremos la velocidad media, y con ella el caudal. 3.3 Ensayo del ventilador a velocidad nominal ara realizar el ensayo bastará con un conjunto de puntos resión-caudal que posteriormente dibujaremos en una gráfica. 1. Arranque el ventilador a la velocidad de régimen nominal N=800rpm.. Cierre completamente la válvula de regulación. 3. Mida la presión estática a la salida del ventilador. La lectura de la presión estática la tomará del indicador del transductor de presión o, si éste no está disponible, de la salida de presión estática del tubo de itot. 4. Mida la altura, h, proporcionada por el manómetro de tubo inclinado conectado al tubo de itot colocado en el centro del tubo, X/D=0,5 y anótela. Calcule con ella la velocidad en el centro del tubo v 0.5 y anótela también. Calcule el valor de la velocidad media a partir de la velocidad en el extremo del tubo como v = αv media Realice el cálculo de la presión dinámica correspondiente a la velocidad media dentro del tubo, d: 1 7. d = ρvmedia. En general diferirá ligeramente de la proporcionada por el tubo de itot, ya que éste proporciona la presión dinámica correspondiente a la velocidad en el centro del tubo. 8. Rellene el resto de las casillas de esa línea de la tabla. 9. Lleve la válvula de mariposa a una posición de mayor apertura. 10.Vaya al punto número 3, es decir mida la nueva presión estática, la velocidad, el caudal, etc.

9 11.Repita el proceso al menos 10 veces para obtener al menos 10 puntos de la curva de funcionamiento del ventilador. 1. Dibuje la gráfica de la curva característica. 3.4 Ensayo del ventilador a velocidad reducida N=0,8 N nominal, Se repetirá el ensayo efectuado en el punto 3.3 tras haber ajustado la velocidad de accionamiento a 0,8 veces la velocidad nominal, es decir, N=40 rpm. Se rellenará la tabla correspondiente y se trazará la gráfica de la curva característica en la misma gráfica que a velocidad nominal. 3.5 Estimación de los efectos de escala Una vez obtenidas las curvas características resión_total - Caudal para las dos velocidades de accionamiento indicadas se obtendrán para ambos casos las curvas en variables adimensionales y se dibujarán en la misma gráfica. Ambas curvas deben ser semejantes. Es decir, deben aparecer superpuestas. NOTAS ADICIONALES El manómetro de tubo inclinado contiene un líquido especial empleado en este tipo de manómetros cuya densidad relativa con respecto al agua es La presión dinámica medida es, por lo tanto d = ρ liq gh siendo h la altura vertical sobre el nivel cero. Si llamamos φ a la medida tomada a lo largo de la varilla reglada que forma un ángulo con la horizontal de 15º se cumple que h = φ sen 15º ( a) = ρ g φ sen 15º d d liq h ( mmca...) = φ sen 15º ( φ en mm) 4. Responder a las siguientes preguntas 4.1 Obtención de una correlación entre el caudal y la velocidad máxima X/D φ (mm) h d (mm.c.a.) v (m/s) 0,019

10 0,077 0, ,361 0,639 0,783 0,847 0,93 0,981 0,5 Calcular la velocidad media y el coeficiente alfa. Dibujar el perfil de velocidades v(x/d). Se parece más a un flujo laminar o turbulento? El líquido rojo del manómetro, es más o menos denso que el agua? or qué se utiliza un líquido con esta propiedad? 4. Ensayo del ventilador a velocidad nominal Rellenar la siguiente tabla y representar gráficamente frente al caudal. Comenta dicha gráfica. Se parecen los valores de la presión estática medida por el transductor con los obtenidos con el tubo de pitot? Representa ambos valores en una gráfica. En caso de que no coincidan, qué aparato crees que está descalibrado? Explica tus motivos. Calcula una recta de calibración. Qué relación tienen las presiones y caudales medidas con los valores nominales del ventilador proporcionados por el fabricante? resión estática Transductor Micromanómetro resión dinámica a mm.c.a. φ mm h mm.c.a. φ mm h mm.c.a. (mm.c.a.) v0.5 (m/s) vmed (m/s) Caudal (m3/s) 4.3 Ensayo del ventilador a velocidad 0.8 veces la nominal resión estática resión dinámica v0.5 (m/s) vmed (m/s) Caudal

11 Transductor Micromanómetro a mm.c.a. φ mm h mm.c.a. φ mm h mm.c.a. (mm.c.a.) (m3/s) 4.4 Efectos de escala Rellenar la siguiente tabla y representar gráficamente oner ambas curvas en una misma gráfica. Q frente a. A la vista de la gráfica, se podría decir que existe semejanza al cambiar de velocidad de giro? Q 800 rpm 800 rpm Q 40 rpm 40 rpm

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