INGENIERIA CIVIL EN MECANICA PROGRAMA DE PROSECUCIÓN DE ESTUDIOS GUIA DE LABORATORIO ASIGNATURA "LABORATORIO DE MÁQUINAS HIDRÁULICAS" CÓDIGO 9517 NIVEL 04 EXPERIENCIA C917 "LABORATORIO DE VENTILADOR CENTRÍFUGO"
LABORATORIO DE VENTILADOR CENTRÍFUGO 1. OBJETIVO GENERAL Observar y experimentar el funcionamiento real de un Ventilador Centrífugo, a través de sus curvas características. 2. OBJETIVOS ESPECÍFICOS Curvas características para 2.000 RPM: Alturas total y estática = f (Q) Rendimientos total y estático = f (Q) Potencia mecánica = f (Q) Determinación de los coeficientes de centro, para tres condiciones de descarga de aire del ventilador. Perfiles de velocidades, para tres condiciones de descarga de aire del ventilador. Número específico (velocidad específica) y clasificación del ventilador. 3. INTRODUCCIÓN TEÓRICA Las Ventiladores Centrífugos son máquinas hidráulicas que transforman potencia mecánica en potencia Hidráulica. En esta transformación se producen pérdidas (hidráulicas, volumétricas y mecánicas). De esta forma el rendimiento de un Ventilador Centrífugo queda determinado por: Rendimiento ( ) = Potencia de salida (Ns) / Potencia Mecánica (N ) Potencia Mecánica (N) = Torque ( ) x Velocidad angular ( ) Potencia de salida (Ns) = Peso específico del aire x Caudal x Altura En las aplicaciones relacionadas con los ventiladores, se puede considerar al aire como un gas perfecto, incompresible (hipótesis de las Máquinas Hidráulicas) variando menos de un 8% la densidad dentro de la máquina. Sin embargo, la densidad del aire puede variar de un lugar a otro, en función de la presión atmosférica y la temperatura Wilfredo Jara T._Revisión 2016 Página 2 de 10
Ecuación de los gases perfectos p v = R T ; v = 1 / p / (R T) p : Presión (Kg/cm 2 ) R : Constante del gas, para aire = 29,27 (Kgm/ Kg K) T : Temperatura absoluta ( K) ; K = C + 273 Altura Real del Ventilador La altura representa la diferencia de energías entre la salida y entrada del ventilador. En relación a la figura 1 y despreciando las pérdidas entra la entrada y salida del ventilador se tiene: Ps, Zs, Vs Pe, Ze, Ve VENTILADOR 6 Figura. 1 H = Zs Ze + (Ps Pe) / + (Vs 2 - Ve 2 ) /2g (m.c.aire) P = H = (Zs Ze) + Ps Pe + (Vs 2 - Ve 2 ) / 2 (Kg/m 2 ) : peso específico del aire (Kg/m 3 ) w : peso específico del agua (Kg/m 3 ) Wilfredo Jara T._Revisión 2016 Página 3 de 10
El término (Zs Ze) es despreciable (el peso específico del aire aproximadamente 1000 veces menor que el del agua), por lo cual la expresión general de la altura se reduce a: H = (Ps Pe) / + (Vs 2 Ve 2 ) /2g (m.c.aire) Casos especiales, por ejemplo la instalación del ventilador del laboratorio del DIMEC, tiene las siguientes características:. Aspiración abierta a la atmósfera, Pe = 0 Velocidad despreciable en la entrada del ventilador De esta forma, la altura del ventilador se reduce a: H = Ps / + Vs 2 /2g (m.c.aire) Como se puede observar, la altura está compuesta por la presión estática ( Ps / más la presión dinámica (Vs 2 /2g); Vs es la velocidad media del flujo en el ducto de salida del ventilador. En anexo se presenta un esquema del banco de ensayos del ventilador centrífugo del DIMEC. En este esquema se observa la disposición del instrumental para determinar la presiones estática, dinámica y total. En anexo se incluyen todas las constantes, variables y fórmulas que se requieren para calcular estas presiones. Por otro lado, y al igual que en las Bombas Centrífugas, de las leyes de semejanza (geométrica, cinemática y dinámica) se deduce el Número Específico (n s ), resultando la siguiente expresión: n s = n (Q) 0,5 / (Hn) 0,75 Donde, la velocidad de rotación (n) está en RPM; el caudal (Q) en m 3 /s y la altura (H) en metros. En una instalación de Ventiladores, el punto de funcionamiento corresponde a la intersección de la curva característica de la instalación H necesario = f(q) con la curva de descarga del ventilador H = f(q), para velocidad de rotación constante del mismo. En anexo se incluyen todas las constantes, variables y fórmulas que se requieren para el desarrollo de la experiencia y los cálculo posteriores, para la emisión del informe de laboratorio correspondiente. Wilfredo Jara T._Revisión 2016 Página 4 de 10
4. MÉTODO A SEGUIR Conocimiento de la instalación (esquema y físico). Organización del equipo de trabajo. Designación de tareas del Grupo. Variables y constantes a medir. Calibraciones. Puesta en servicio del equipo. Realizar un conjunto de 10 mediciones, para distintos escalones del flujo (determinación en sitio). En las mediciones 2, 5 y 9 hacer barrido con el Tubo Pitot-Prandtl para las siguientes posiciones (mm) : 2-16-32-52-82-154-182-202-218-232, leído en el vernier del instrumento. Verificación de la consistencia de los valores medidos. Detención y normalización de la instalación 5. VARIABLES A CONSIDERAR Una vez fijada la velocidad de rotación del ventilador en 2.000 RPM, las variables a medir durante los ensayos (referencia al esquema del anexo) corresponden a: Presión (Pb) atmosférica (inicio y final de los ensayos). Temperatura (Tamb) ambiente (inicio y final de los ensayos). Alturas manométricas (h i ; i=1 a 6) representativas de las presiones estática, dinámica y total. Fuerza (F). Temperatura del aire (Ta) en el ducto de descarga del ventilador. Para el conjunto de ensayos, se realizarán 10 mediciones de cada una de las variables, para distintas posiciones del regulador de flujo del ventilador; y de esta forma, se podrán trazar las curvas características de funcionamiento del ventilador Centrifugo; H = f(q); N = f(q); = f(q). 6. TEMAS DE INTERROGACIÓN Clasificación de los Ventiladores. Cinemática del flujo en los Ventiladores Centrífugos (Triángulos de velocidades). Concepto y determinación de la altura de los Ventiladores Centrífugos. Rendimientos Leyes de Semejanza en los Ventiladores Centrífugos. Número específico. Concepto de coeficiente de centro. Curvas características de los Ventiladores Centrífugas. 7. EQUIPOS E INSTRUMENTOS A UTILIZAR En anexo se presenta una reproducción y un esquema del banco de ensayo de Bombas Centrífugas del DIMEC, indicando cada uno de sus Wilfredo Jara T._Revisión 2016 Página 5 de 10
componentes. También en el anexo se indican todas las características técnicas de los equipos e instrumentos de medida. 8. LO QUE SE PIDE EN EL INFORME Tapas establecida por el DIMEC aplicando las disposiciones generales para la confección del informe. Las características técnicas de los equipos e instrumentos empleados en el laboratorio Descripción del método seguido Tablas de valores medidos y calculados. Gráficos con las curvas características del Ventilador. Coeficientes de velocidades, para los ensayos 2, 5, 9, y el valor medio. Perfiles de velocidades para las condiciones del flujo correspondiente a los ensayos 2, 5,9. Determinación del número específico del Ventilador. Clasificación del rodete del Ventilador. Clasificación (Clase) del Ventilador según la presión y velocidad del flujo a la salida del mismo. El detalle de los cálculos, información complementaria y otros antecedentes que desee aportar el alumno, deberán ir en un anexo o apéndice del informe. Especial relevancia tienen el análisis de los resultados, las conclusiones y la estimación de los errores de las mediciones, para determinar la incertidumbre global de los resultados. 9. BIBLIOGRAFÍA Máquinas Hidráulicas, autor Wilfredo Jara T. Fondo Editorial INFIM, Universidad Nacional de Ingeniería, Lima Perú, 1998. Máquinas Hidráulicas, autor Wilfredo Jara T. Fondo Editorial INFIM, Universidad Nacional de Ingeniería, Lima Perú, 1998. Normas AMCA para ventiladores. José Mesana. Ventiladores y Turbo-Compresores. Carrier. Manual de Aire acondicionado. Severns. Energía mediante el vapor, aire o gas. Claudio Mataix. Mecánica de Fluídos y Máquinas Hidráulicas. Wilfredo Jara T._Revisión 2016 Página 6 de 10
ANEXO BANCO DE ENSAYO VENTILADOR CENTRÍFUGO ESQUEMA DE LA INSTALACIÓN PARA LOS ENSAYOS Presión estática Presión total h 3 h 4 h 1 h 2 h 5 h 6 Ta Tubo Pitot - Prandtl VENTILADOR Wilfredo Jara T._Revisión 2016 Página 7 de 10
Características del Ventilador Tipo Centrífugo. Alabes curvados hacia atrás Rotación Sentido punteros reloj Velocidad nominal RPM 2.000 Diámetro interior ducto mm 242 Diámetro exterior del rodete mm 390 Características del Motor Potencia HP 5 Voltaje Volt 330 Corriente Amp 14 Velocidad RPM 1150-3600 Instrumental Dinamómetro Kg 0 a 30 Balanza Toledo Barómetro mmhg Termómetro C Tubo Pitot - Prandtl Norma AMCA Manómetros tubos "U". mm.c.agua FORMULAS Y CONSTANTES Referencia para el marco conceptual, cátedra de Máquinas Hidráulicas Profesor Wilfredo Jara g 9,8 w 1000 p 3,1416 R 29,27 Wilfredo Jara T._Revisión 2016 Página 8 de 10
NOMENCLATURA A m 2 Area interior del ducto de salida del ventilador 0,045996166 C c Coeficiente de centro D i mm Diámetro interior del ducto de salida del Ventilador D 2 mm Diámetro exterior del rodete F Kg Fuerza en el dinamómetro g m/s 2 Aceleración de gravedad H m.c.aire Altura total del Ventilador H e m.c.aire Altura estática del Ventilador h i mm.c.agua Altura columna de agua en los tubos en "U" h e mm.c.agua Altura de presión estática h d mm.c.agua Altura de presión dinámica h t mm.c.agua Altura de presión total n RPM Velocidad de rotación n s Número específico N s HP Potencia Eólica total N se HP Potencia Eólica estática N HP Potencia mecánica en el eje de la Bomba P s Kg/m 2 Presión estática P d Kg/m 2 Presión dinámica P t Kg/m 2 Presión total P b mmhg Presión atmosférica Q m 3 /s Caudal R Kgm / Kg K Constante de los gases para el aire T K Temperatura absoluta T amb C Temperatura ambiente T a C Temperatura aire U m/s Velocidad tangencial del rodete V i m/s Velocidad del flujo, en el punto i, en el ducto de salida del Ventilador V s m/s Velocidad media del flujo en el ducto de salida del Ventilador V c m/s Velocidad en el centro del ducto de salida del Ventilador Kg/m 3 Peso específico del aire Kg s 2 /m 4 Densidad del aire Kg/m 3 Peso específico del agua Rendimiento global del Ventilador E Rendimiento estático del Ventilador Wilfredo Jara T._Revisión 2016 Página 9 de 10
= P b / (R T) T = C + 273 H = P s / + V s 2 / 2g H e = P s / Ps / = ( h 2 - h 1 ) w / h e = h 2 - h 1 h d = h 3 - h 4 h t = h 5 - h 6 N = F n / 2370 N s = Q H / 76 N se = Q H e / 76 Q = V s A V s = C c V c V i = ( 2g h di w / ) 0,5 = N s / N E = ( H e / H ) Q 1 / Q 2 = n 1 / n 2 H 1 / H 2 = ( n 1 / n 2 ) 2 N 1 / N 2 = ( n 1 / n 2 ) 3 ns = n (Q) 0,5 / (H) 0,75 Wilfredo Jara T._Revisión 2016 Página 10 de 10