En el presente informe se encuentra el desarrollo y análisis de la experiencia realizada del ventilador. Comenzando con las características técnicas del sistema utilizado, en donde se encuentra los instrumentos con los que se midieron los diferentes parámetros para el estudio y las características técnicas de los equipos utilizados.
A continuación se presenta una breve descripción del método seguido para luego ir directamente a la presentación de resultados, en donde se encuentran los valores medidos en la experiencia y los resultados representados en tablas y gráficos. Luego su análisis y conclusiones respectivo de lo obtenido en este desarrollo, seguido con el apéndice en donde se encuentran las ecuaciones utilizadas y el desarrollo matemático para la obtención de los parámetros ya estudiados. Finalmente se encuentra el apéndice y la bibliografía empleada para su conocimiento.
3 OBJETIVOS
3.1 OBJETIVO GENERAL Que el alumno reconozca la instalación de un banco de ensayo para un ventilador centrífugo
industrial. Identificar instrumentos y controles que permiten evaluar los parámetros para un
ensayo normalizado de un ventilador.
3.2 OBJETIVOS ESPECIFICOS 1. Determinar el coeficiente de centro del ducto. 2. Graficar y analizar curvas características del funcionamiento para 2000 R.P.M. considerar la
variación de 10 caudales. 3. Graficar y analizar las variaciones de potencia eléctrica con el caudal. Efectuar estudio de costo. 4. Graficar y analizar el perfil de velocidades en el ducto.
4 CARACTERISTICAS TECNICAS DE LOS EQUIPOS E
INSTRUMENTOS UTILIZADOS
Ventilador tipo industrial Centrifugo -Nº Paletas: 6 -Diámetro tubería 242 mm, además presenta un obturador al final del túnel de viento el cual regula caudales.
Dinamómetro Toledo
-Rango: 0 – 30 (Kgf)
3
-Resolución: 0.1 (Kgf) 4
Conjunto Voltímetro, Amperímetro, Contador de revoluciones – Resistencia variable
Westinghouse (Fuente de Energía)
-Corriente Continua CC (DC) -Voltímetro -Rango de Operación: 0 - 400 Volts -Resolución: 10 Volts -Amperímetro -Rango de Operación: 0 - 30 A. -Resolución: 2 A. -Tacómetro -Rango de operación 0 – 7000 rpm -Resolución: 10 rpm
-Modelo: Fluke 52 II (doble entrada) -Rango de escala: -200 a 1372 °C -División de escala: 0,1 °C
Tubo de Pitot-Prandtl
-Unidad de medición: mca -Rango de operación: 0 - 20 mca -Resolución: 1 [mm] (papel mil
4
5 DESCRIPCIÓN DEL MÉTODO SEGUIDO
Se comienza la experiencia con la parte teórica dando las pautas para la toma de datos y cómo afrontar el desarrollo de los cálculos para realizar el informe, dando las formulas con sus respectivas unidades. Luego se realiza un conocimiento de la instalación, en donde están los instrumentos y equipos que intervienen en el sistema como por ejemplo el ventilador, el motor, el tubo de Pitot-Prandtl, entre otros. A continuación se organiza el equipo para la designación de tareas de cada colega, las cuales son medir las variables y constantes que se necesiten y la calibración de los instrumentos. Se pone en marcha el sistema y se evalúan los parámetros para un total de 10 mediciones para distintos escalones del flujo. También se toman los valores del “barrido” del tubo PITOT-PRANDTL en los caudales 4 y 7. Se verifican los valores medidos para ver si hay alguna inconsistencia en los resultados. Finaliza la experiencia con la detención y normalización de la instalación.
5
6 PRESENTACIÓN DE RESULTADOS
6.1 DATOS DE LA EXPERIENCIA
Las siguientes tablas obtenidas en la experiencia, corresponden a valores dependientes de la apertura
del obturador, encontrado a la salida del conducto de ventilación, mostrando las variaciones que se
pueden observar.
He Hd HT
Qa h1 [cmca]
h2 [cmca] h3 [cmca]
h4 [cmca]
h5 [cmca]
h6 [cmca] F [kgf] V [volt] I [A]
T [°C]
1 5,8 15,8 8,8 8,7 16,1 5,1 1,1 270 4 17
2 6,4 15,11 8,8 8,5 15,6 5,6 1,4 270 5 17,1
3 7,2 14,42 8,9 8,5 15 7,3 1,6 270 5 16,7
4 7,6 13,73 9 8,5 14,1 8,2 1,8 270 6 17
5 8,7 13,04 9,1 8,4 13,8 8,5 1,85 270 6 16,9
6 9,4 12,35 9,3 8,2 13,2 9 2 270 7 17
7 10,1 11,66 9,3 8 12,5 9,8 2,05 270 7 16,9
8 10,7 10,97 9,4 8 12,1 10,2 2,1 265 7 16,8
9 11,3 10,28 9,5 8 11,6 10,5 2,2 265 7 16,9
10 12,1 9,6 9,8 7,5 11,1 11,3 2,4 270 8 16,3
Tabla 1: Datos Obtenidos con 2000 RPM, variando la apertura del obturador.
Costo anual de electricidad con 1 hr de funcionamiento diaria
0,000
5,000
10,000
15,000
20,000
25,000
30,000
0 50 100 150 200 250
Ve
loci
dad
[m
/s]
Barrido Vertical [mm]
Perfil de velocidades
Va4 [m/s]
Va7 [m/s]
9
7 ANÁLISIS, CONCLUSIONES Y COMENTARIOS
PERSONALES
Los análisis se realizaran siguiendo el orden de los objetivos propuestos en la experiencia, luego de este
análisis se realizaran las conclusiones y comentarios correspondientes.
7.1 COEFICIENTE DE CENTRO El valor promedio del coeficiente de centro para esta experiencia y con las condiciones operacionales
descritas, es de 1,4324. Este valor se obtiene dividiendo la velocidad media del aire en el interior del
ducto y la velocidad en el centro. El resultado de este valor en teoría tendría que ser menor a 1, ya que
en el centro del ducto se encuentran las mayores velocidades y a medida que se acerca a las paredes la
velocidad comienza a disminuir debido a las fuerzas de arrastres y los rozamientos por las paredes, que
son perdidas de cargas producidas en el ducto. Por desgracia si asociamos la teoría con la realidad de la
experiencia y los resultados obtenidos encontramos que no calzan de acuerdo a lo mencionado
anteriormente, esto se debe a la mala lectura de los datos en la experiencia que no fueron corregidos por
ningún integrante del grupo dando la responsabilidad a una solo persona. Sin embargo los datos
tomados sirven para evaluar los modelos matemáticos que permiten cumplir los objetivos de la
experiencia, estos datos se calcularan con el coeficiente de centro calculado y se tratará de realizar
conclusiones y análisis cercanos a lo teórico.
7.2 CURVAS CARACTERÍSTICAS El gráfico n°1 habla de la altura estática, a medida que aumenta el caudal de aire la altura estática
disminuye casi linealmente según el gráfico. Esto se explica por la conservación de energía y se puede
observar en las tablas calculadas, a medida que la altura estática disminuye la altura dinámica aumenta.
El gráfico n°2 muestra la potencia eólica vs el caudal, la tendencia de este gráfico es del tipo polinómica
mostrando un máximo en el caudal de 0,43728 [𝑚3
𝑠𝑒𝑔], por lo que la máxima potencia eólica se encuentra
en este punto. Esto se debe a que en los primeros caudales la altura total es mayor y va disminuyendo a
medida que el caudal aumenta. Por lo que si se busca la mayor potencia eólica se tendrían que priorizar
caudales menores y alturas totales mayores.
El gráfico n°3 relaciona la potencia mecánica vs el caudal, este gráfico muestra una tendencia positiva
del tipo polinómica. En otras palabras a medida que se requiera un mayor caudal de aire generado por el
ventilador, mayor será la potencia necesaria en el eje para producirla. Esto se transforma en más fuerza
en el eje, es importante recordar que esta experiencia se realiza a revoluciones constantes a 2000[rpm]
por lo que la potencia mecánica solamente varia por la fuerza ejercida en el eje.
El gráfico n°4 muestra el parámetro más importante que relaciona el rendimiento del ventilador vs el
caudal. De acuerdo a lo obtenido, a medida que el caudal aumenta el rendimiento disminuye llegando
casi a cero cuando los caudales son máximos. El máximo valor de rendimiento es de 48,701% con un
caudal de 0,43728[𝑚3
𝑠𝑒𝑔]. Cabe destacar que un resultado del rendimiento dio negativo por lo que queda
excluido del análisis.
En conclusión se puede decir que los mayores rendimientos del ventilador se encuentran cuando los
caudales son menores y la potencia eólica es máxima, también cuando las alturas totales son máximas.
Al contario de la potencia en el eje que muestra en esos caudales sus menores valores, por lo que no es
necesario forzar el eje aplicando mayor fuerza para obtener un mayor rendimiento ya que quedó
demostrada analíticamente que no es cierto.
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7.3 VARIACIÓN DE LA POTENCIA ELÉCTRICA La variación de la potencia eléctrica respecto de la variación del caudal tiene un comportamiento
mostrado en el gráfico n° 5. A medida que el caudal del ventilador aumenta, mayor será la potencia
eléctrica necesaria para mantener el flujo requerido a RPM constantes. Como se vio anteriormente una
mayor potencia en el eje no significa un mayor rendimiento en el ventilador por lo que un consumo mayor
de potencia eléctrica no es siempre mejor, si no que sería un gasto en consumo eléctrico que trasforma
en pérdidas para el proyecto. Se realizó el ejercicio de calcular los costos asociados a electricidad,
tomando a 60,441 [$KW/hr] y realizando el costo de mantener por todo un año 1 hr prendido el equipo,
mostrando claras diferencias en los costos entre caudales.
7.4 PERFIL DE VELOCIDADES Este perfil de velocidades se presenta en el gráfico n°7, que muestra las velocidades en el interior del
ducto de los dos caudales pedidos, el caudal 3 y el caudal 7. Los perfiles muestran un comportamiento
similar con un punto mínimo de 82[mm] de desplazamiento del tubo PITOT-PRANDTL, para luego
aumentar de forma exponencial hasta llegar a un punto máximo, luego de este punto se estabiliza y
permanece casi constante.
7.5 COMENTARIOS En esta experiencia es muy importante que la toma de datos en las alturas sea muy preciso ya que un
milímetro afecta en el desarrollo de los cálculos, en esta experiencia se cometieron errores en las
lecturas que dificultaron un buen desarrollo de este informe. Sin embargo se cumplió la experiencia
omitiendo algunos errores y corrigiendo otros, por lo que los objetivos fueron realizados completamente.
No obstante quiero recalcar que la toma de datos fue deficiente y no es posible decir que el
comportamiento de este ventilador sea de la forma que muestran las gráficas.
8 APÉNDICE
8.1 FORMULAS UTILIZADAS
8.1.1 Densidad del aire
Para el cálculo de la densidad del aire se utilizará la fórmula de gas ideal para luego llevarlo a la ecuación de estado mostrado en la introducción teórica. Gas ideal: 𝑝 ∙ 𝑣 = 𝑅 ∙ 𝑇 (1) Es sabido que el volumen específico puede expresarse de la siguiente manera:
𝑣 =1
𝜌 (2)
Por lo que ahora reemplazando en (1) y despejando la densidad queda la siguiente expresión:
𝜌𝑎 =(𝜌𝑟𝑒𝑙 + 1,633) ∙ 104
29,26 ∙ (𝑇°𝐶 + 273)[𝑘𝑔
𝑚3] (3)
8.1.2 Altura total, dinámica y estática
La altura total, dinámica y estática están definidas como:
Primero que todo para el cálculo del coeficiente de centro se divide el ducto en 5 áreas iguales en forma circunferencial, para luego medir las velocidades correspondientes, mostradas a continuación, en los anulares. La cantidad de medidas es por cada caudal, dando un total de 10 mediciones. El coeficiente de centro tiene la siguiente forma:
𝐶𝑐 =𝑉�̅�
𝑉𝑐
(7)
Donde:
𝑉�̅� = 𝑉𝑒𝑙𝑜𝑐𝑖𝑑𝑎𝑑 𝑝𝑟𝑜𝑚𝑒𝑑𝑖𝑜 𝑎𝑙 𝑑𝑖𝑣𝑖𝑑𝑖𝑟 𝑒𝑙 𝑑𝑢𝑐𝑡𝑜 𝑠𝑒𝑔ú𝑛 𝑛𝑜𝑟𝑚𝑎 𝐴𝑀𝐶𝐴. 𝑉𝑐: 𝑉𝑒𝑙𝑜𝑐𝑖𝑑𝑎𝑑 𝑑𝑒𝑙 𝑎𝑖𝑟𝑒 𝑒𝑛 𝑒𝑙 𝑐𝑒𝑛𝑡𝑟𝑜 𝑑𝑒𝑙 𝑑𝑢𝑐𝑡𝑜. Para el cálculo de la velocidad del aire en el centro del ducto se tiene:
