Ventiladores axiales

• Introducción y objetivos:

Un ventilador es una máquina de fluido, que transmite energía para generar una cierta presión para mantener un flujo de aire de manera continua. Por otra parte, se puede definir como una turbomáquina que recibe potencia desde un eje giratorio y la transmite a un fluido compresible, desplazándolo desde un punto a otro.

Lo anterior, es posible lograrlo al generar una diferencia de presión, lo que logra vencer la resistencia entregada por los conductos, válvulas y otros componentes del sistema de ventilación. Estas partes, en conjunto entregan energía mecánica, la cual se obtiene a través, del movimiento de un rotor que, además, hace que aumente la energía cinética del aire a medida que va aumentando la presión poco a poco.

Ya explicado lo que es un ventilador, es necesario clasificarlos según los tipos de estos, que son los siguientes:

• Axiales: Es el cual, en que la velocidad del flujo en la salida tiene la misma dirección que en la entrada.

[pic 1]

                          Figura 1: Ejemplo de ventilador axial.

• Centrifugo: Es aquel, en que el fluido entra en una cierta dirección y la salida de este es 90 grados respecto de la dirección de entrada.

[pic 2]

                Figura 2: Ejemplo de ventilador centrifugo.

        Para esta experiencia, se utilizará un ventilador axial, para el cual se tienen los siguientes objetivos de la experiencia:

• Graficar la diferencia de presión producida dentro del tubo y el caudal que lo atraviesa.
• Calcular la potencia entregada al fluido y la eficiencia del ventilador para cada medición y graficar  vs. Q.[pic 3]
• Con los valores de ∆p y Q obtenidos en la primera parte, emplear las leyes de semejanza y agregar en un mismo gráfico las curvas de diferencia de presión v/s caudal de la segunda parte, para ver qué tan validas son las leyes de semejanza para predecir el comportamiento de un ventilador axial a velocidades de rotación diferente.
• Calcular la potencia eléctrica para cada medición de la primera parte para obtener la eficiencia del ventilador. Luego, graficar la eficiencia del ventilador en función del caudal para apreciar el rango de mayor eficiencia en que se trabaja.
• Calcular la pérdida monetaria mensual, sí el ventilador opera 24 horas en el punto de máxima eficiencia.
• Suponer que la eficiencia global se preserva en todos los casos que se presentan a continuación, explicar conceptualmente qué ocurre con la potencia consumida por el ventilador si sus condiciones de operación fueran diferentes, es decir ahora:

• Opera de noche
• Opera en un día que se pronostica lluvia
• Opera a una altitud elevada sobre el nivel del mar
• Opera con un gas diferente al aire.

• Metodología de cálculo:

Para esta experiencia, se utiliza el montaje de la figura 3 de donde se puede apreciar que existen distintos puntos, los que se explicaran más adelante. De forma más general, el fluido pasa por el tubo de aspiración y llega hasta el ventilador, en esta parte se aumenta el flujo de aire y sigue el recorrido por la parte restante del tubo, en donde se encuentra con una válvula (mariposa) que dificulta la impulsión del fluido.

[pic 4]

Figura 3: Esquema del montaje experimental.

Los puntos a considerar son los siguientes:

• F: Sensor de caudal.
• T: Sensor de temperatura.
• dP: Diferencia de presión.
• Punto 1: Comienza la aspiración.
• Punto 2: Flujo llega al ventilador.
• Punto 3: Descarga de aire.
• Punto 4: Flujo llega a la válvula mariposa.

Según el montaje expuesto anteriormente es que se realiza el experimento en dos partes. Para la primera parte, se tiene que encender el software del ventilador axial y el módulo de adquisición, luego de esto es necesario dejar constantes las revoluciones por minuto a un valor de 2500 ± 10 [RPM] todo esto con la válvula mariposa cerrada. Se registran todas las variables tales como, caudal, presión, temperatura, velocidad angular y potencia eléctrica. Luego de lo anterior, es necesario variar el caudal con la válvula mariposa, lo que implica que se tiene que variar nuevamente la velocidad angular y se registran nuevamente las variables, repetir esto 3 o 4 veces. (La última medición debe ser con la válvula mariposa abierta completamente).

En la segunda parte, para comenzar a diferencia de la primera se debe abrir la válvula mariposa completamente, luego se debe accionar el ventilador a máxima velocidad de rotación admisible, se registran nuevamente las variables de la primera parte. Se reduce la velocidad de rotación hasta estabilizar las variables para luego registrarlas, se repite este procedimiento 3 o 4 veces. (La última medición debe ser con una velocidad entre 1000 y 1500 [RPM]).

Para la obtención de los objetivos, se utilizarán diversas fórmulas. Para calcular la diferencia de presión, que corresponde a la energía que entrega el ventilador al gas, queda representada de la siguiente forma:

[pic 5]

A partir de la ecuación (1), es posible obtener la potencia o el trabajo que entrega el ventilador al fluido con la siguiente fórmula:

[pic 6]

[pic 7]

• .[pic 8]
• .[pic 9]
• [pic 10]
• Q= caudal.

Por otra parte, es posible calcular la eficiencia global, que corresponde a:

[pic 11]

Si se quiere predecir el comportamiento de un ventilador a partir de uno ya conocido, existen las leyes de semejanza, las que se realizan a partir de un parámetro en común.

1.- Dos ventiladores con el mismo diámetro, pero distintas velocidades de rotación:

[pic 12]

2.- Dos ventiladores con mismas velocidades de rotación, pero con distintos diámetros:

[pic 13]

3.-  Dos ventiladores trabajando con un gas de diferentes densidades:

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De las leyes de semejanza, se puede realizar un ejemplo simple para ver el funcionamiento que de un ventilador con respecto a otro.

[pic 15]

[pic 16]

[pic 17]

• Resultados y discusión:

• Primera parte: Tal como se explicó en la metodología de cálculo, se aumenta el caudal a una velocidad angular 2500 ± 10 [RPM], para ello se generó la tabla (1) y tabla (2), a partir de la cual se logra graficar la relación entre la diferencia de presión dentro del tubo y el caudal que lo atraviesa (gráfico (1))

[pic 18]

Gráfico 1: Relación entre la diferencia de presión y el caudal, de la primera y la segunda parte, de donde se puede observar relaciones lineales para la primera y la segunda parte.

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