UNIVERDIDAD NACIONAL DEL CALLAO

UNIVERDIDAD NACIONAL DEL CALLAOFACULTAD DE INGENÍERIA MECÁNICA

ESCUELA PROFECIONAL DE INGENÍERIA MECÁNICA

“DISEÑO DE UN VENTILADOR CENTRÍFUGO”DOCENTE:

Ing. HERNAN JOSUE PINTO

INTEGRANTES:

ÁLVARO GUZMAN DE LA CRUZ

JESÚS CAJAS CORONADO

PABLO SALINAS GUTIÉRREZ

JOSÉ MELGAR BARZOLA

Callao, Junio 2014

PERÚ

Maquinas HidráulicasFacultad de Ingeniería Mecánica-Energía2014-A

I. ÍNDICE

I. ÍNDICE........................................................2II. INTRODUCCIÓN..................................................3

III. CALCULO Y DISEÑO DE UN VENTILADOR CENTRIFUGO CON ALABES CURVADOS HACIA ATRAS............................................4

3.1. MARCO TEORICO..............................................43.1.1. VENTILADOR.............................................4

3.1.2. LEYES DE LOS VENTILADORES..............................63.1.3. CURVA CARACTERÍSTICA DE UN VENTILADOR..................7

3.1.4. PUNTO DE TRABAJO DE UN VENTILADOR......................83.1.5. FORMA DE ALABES Y TRIANGULO DE VELOCIDADES............10

3.2. REQUERIMIENTOS DE DISEÑO:.................................123.2.1. DATOS ASUMIDOS:.......................................12

3.3. CALCULOS PRELIMINARES:....................................133.4. CALCULO DEL RODETE........................................14

3.5. TRAZADO DEL PERFIL DEL ALABE:.............................213.5.1. TRAZADO DEL PERFIL DEL ALABE POR EL MÉTODO DE PUNTOS. .21

3.6. DISEÑO DE LA VOLUTA O ESPIRAL DEL VENTILADOR..............23IV. BIBLIOGRAFÍA...............................................26

V. ANEXOS.......................................................265.1. CALCULO USANDO SOFTWARE PARA VENTILADORES.................26

5.1.2. DATOS DE ENTRADA......................................275.1.3. DATOS DE SALIDA.......................................27

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II. INTRODUCCIÓN:

El presente trabajo de investigación trata sobre el "CÁLCULO Y DISEÑO DE UN VENTILADOR CENTRÍFUGO ", en general los ventiladores son TURBOMAQUINAS que se caracterizan porque elfluido que atraviesa por ellos son gases (fluido compresible)al que se le transfiere una potencia en forma de aumento de presión.

Particularmente este trabajo de investigación trata sobre un tipo específico de ventilador, se trata del "ventilador centrífugo" que a diferencia de los ventiladores axiales (normalmente muy conocidos, ejemplo en los techos de los edificios) este tipo ventilador se caracteriza porque el flujo de aire o gases que manejan se mueve en dirección perpendicular al eje de rotación.

Para realizar los cálculos y diseñar nuestro ventilador debemos conocer todo sobre ventiladores, conceptos, estructuras, las leyes que las gobiernan, sus curvas características de las gráficas, etc.

Este trabajo de investigación sobre cálculo y diseño del ventilador centrífugo se debe al interés de los estudiantes de ingeniería mecánica, sobre su funcionamiento, comportamiento, estructura, los materiales que usaría si se fabricaría y como varia su flujo y rendimiento cuando

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tenemos diversos tipos de álabes distintos para su construcción.

Por otro parte, de acuerdo a los datos obtenidos de los cálculos elegiremos un motor eléctrico basándonos en sus respectivas tablas con los requerimientos necesarios para que sea la fuente de energía que hará que nuestro ventilador funcione correctamente.

En el ámbito profesional, como próximos Ingenieros Mecánicos es de nuestro interés saber cómo funciona esta TURBOMAQUINA capaz de tener eficiencias muy altas, y en nuestro desempeño laboral por las diversas aplicaciones que tienen estas máquinas en las empresas dedicadas al acondicionamiento, ventilación, secadores, sopladores...etc.

Finalmente en nuestro marco teórico que a continuación presentaremos veremos de manera más detallada los conceptos yteorías que usamos para la construcción de nuestro VentiladorCentrífugo.

III. CÁLCULO Y DISEÑO DE UN VENTILADOR CENTRÍFUGO:

3.1 MARCO TEÓRICO:

3.1.1. EL VENTILADOR:

Un ventilador es una máquina rotatoria que posee unimpulsor o alabes, que ejercen una fuerza sobre un fluido(aire o gas), lo cual se traduce en un movimiento continuoaumentando su presión, pero sin cambiar su densidad. Esimportante destacar que el movimiento del fluido es continuo

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y no pulsante, como es el caso de otras máquinas rotatorias.Por otro lado, el aumento de presión debido a un ventiladores considerado bajo o moderado, no como el caso de loscompresores, donde esta última es comparativamente más alta.No existe una línea divisoria clara, pero en general losventiladores no aumentan la presión absoluta en más de un 30%(unos 30kPa).

Un sistema de ventilación puede ser muy simple o muy complicado. Un sistema simple puede corresponder a un ventilador con ductos a la entrada y a la salida. Un sistema un poco más complicado puede incluir, aparte del ventilador, ductos, dampers (Son dispositivos usados para regular caudaly presión.Se instalan ya sea en la succión o descarga del ventilador.) de control, filtros, serpentines, silenciadores, difusores, etc. El ventilador es el componente que suministra la energíaal fluido para vencer la resistencia que ejercen los componentes del sistema. La Figura 1 muestra un ejemplo de unsistema de ventilación.

Los ventiladores pueden dividirse en dos categorías principales, axiales y centrífugos. Existen otros tipos, que de una u otra manera poseen una mezcla de las característicasde ambos grupos, es por eso que veces se les denomina híbridos.

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No podemos hablar de ventiladores sino sabemos qué efectocausan en las presiones, a continuación expondremos que sonlas presiones.

Presión total, estática y dinámica.

La presión atmosférica existente es debida al peso del aireque está sobre un punto. Esta presión varía a lo largo delplaneta, pero en general se asume como valor típico el de 100kPa. En el caso de un globo inflado, la presión interna delglobo es superior a la atmosférica, por ejemplo podría ser105 kPa, esta es la presión que se conoce como presiónabsoluta. La diferencia entre la presión absoluta del puntobajo análisis y la presión atmosférica, es lo que importapara la selección de ventiladores.

La presión estática puede definirse como la presión absolutade un punto menos la presión atmosférica, la cual correspondea la energía potencial que posee un flujo de aire. Estapresión puede ser positiva o negativa. Otra forma dedescribirla sería como aquella presión ejercida sobre lasparedes de un ducto, medida en forma perpendicular a ladirección del flujo.

Trabajar sólo con presiones estáticas es posible cuando éstasson pequeñas en comparación con presiones atmosféricas y porlo tanto, el aire puede tratarse como incompresible.

Por otro lado, la presión dinámica es la presión asociada almovimiento del fluido, ésta corresponde a la energía cinéticadel fluido.

PresiónDinámica=12.ρ.V2

Dónde:

ρ=esladensidaddelaireogas.

V=eslavelocidaddelaireogas.

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La suma de las presiones estáticas y dinámicas, en cualquierpunto, se conoce como presión total. Es decir,

PresionTotal=Presionestatica+PresionDinamica=Presionestatica+12.ρ.V2

Si es necesario aumentar la presión de un gas, será requeridoentregar energía al fluido. En el caso del globo, el aire nose mueve, por lo tanto la energía total es igual a laestática.

Clasificación de Ventiladores:

Ventiladores Axiales:

Los ventiladores axiales funcionan mediante la generación deun empuje aerodinámico a través de la rotación de los alabes.Pero es la fuerza opuesta, aquella ejercida sobre el aire, laque importa ya que es la que produce el movimiento del aire.Para ilustrar el principio de funcionamiento, analicemos elcaso de un flujo de aire que pasa a través de una placa (verFigura 2).

Es claro que el movimiento de aire genera una fuerza en laplaca que intente desplazarla hacia arriba y a su vez laplaca ejerce una fuerza, de igual magnitud, que fuerza elflujo de aire hacia abajo. Existe un límite en el rendimientode una placa plana, y mejores resultados se obtienen alutilizar perfiles aerodinámicos (ver Figura 3). Estos últimos

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poseen menor resistencia al flujo y la habilidad de poseermayores ángulos de ataque sin que el fluido se despegue delalabe.

Para entender mejor cómo funciona un ventilador axial, esnecesario colocar varios alabes uno detrás de otro e imaginarcómo se movería el flujo de aire. Si todos estos alabes estánconectados a una parte central que gira, lo que se obtiene esun flujo de aire axial. Es importante mencionar que ladirección del flujo de aire no cambia, es lo que a veces sedenomina ventiladores en línea.

Los principales componentes de un ventilador axial son un impulsor, un motor y un ducto o carcasa, tal como se muestra la Figura 4.

Fig.4

Dentro de los varios tipos de ventiladores podemos mencionar los siguientes:

Propeller:

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Normalmente usados para intercambiadores de calor. La forma de los alabes son complejos y en general se diseñan para minimizar el ruido. Las presiones generadas son bajas y mueven grandes cantidades de aire.

Vane Axial:

Utilizados en varios sistemas de HVAC (heating, ventilation, and air conditioning) o HVAC ( calefacción , ventilación y aire acondicionado ), paraaplicaciones de baja, media y alta presión donde un sistema en línea representa una ventaja. La calidad del flujo puede ser mejorado incluyendo alabes directores a la salida del impulsor. En general son más compactos que los centrífugos.

Tube Axial:

Utilizados en varios sistemas de HVAC (heating, ventilation, and air conditioning) o HVAC ( calefacción , ventilación y aire acondicionado ), paraaplicaciones de baja y media presión, donde la calidad del flujo a la salida del ventilador no es crítica. Es tal vez

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http://translate.googleusercontent.com/translate_c?depth=1&hl=es&prev=/search%3Fq%3Dhvac%26client%3Daff-maxthon-maxthon4%26hs%3D4w7%26channel%3Dt18%26biw%3D1233%26bih%3D862&rurl=translate.google.com&sl=en&u=http://en.wikipedia.org/wiki/Air_conditioning&usg=ALkJrhie6LPCx1aHHVxCsFY7vxpHqLd8Pg

http://translate.googleusercontent.com/translate_c?depth=1&hl=es&prev=/search%3Fq%3Dhvac%26client%3Daff-maxthon-maxthon4%26hs%3D4w7%26channel%3Dt18%26biw%3D1233%26bih%3D862&rurl=translate.google.com&sl=en&u=http://en.wikipedia.org/wiki/Ventilation_(architecture)&usg=ALkJrhiBfGVGB_Hlqb9RZ6mow5U8ve11oQ

http://translate.googleusercontent.com/translate_c?depth=1&hl=es&prev=/search%3Fq%3Dhvac%26client%3Daff-maxthon-maxthon4%26hs%3D4w7%26channel%3Dt18%26biw%3D1233%26bih%3D862&rurl=translate.google.com&sl=en&u=http://en.wikipedia.org/wiki/Heating&usg=ALkJrhi4RpDjlisy3hw4Voa2-3eOkm39oQ

http://en.wikipedia.org/wiki/Air_conditioning

http://en.wikipedia.org/wiki/Ventilation_(architecture)

http://en.wikipedia.org/wiki/Heating








uno de los tipos más utilizados por la industria del HVAC.

Jet Fan:

Utilizados principalmente para ventilar túneles de vehículos que no son extremadamente largos. Los ventiladores generan unjet que empuja el aire a través del túnel. En general son bidireccionales y poseen silenciadores. También pueden ser utilizados para contener posibles incendios dentro de un túnel y ayudar a evacuarlo.

Pitch Variable:

Estos ventiladores tienen la capacidad de variar el pitch durante su funcionamiento y por ende el punto de operación del mismo.

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En general se puede afirmar que los ventiladores axiales son adecuados para mover grandes cantidades de aire a presiones medianas.. Uno de los problemas de los ventiladores axiales es que sufren de un severo "stall” (presión diferencial necesaria a través de un equipo se vuelve negativa)aerodinámico, esto significa que una vez que alcanzan la presión PICO, esta cae rápidamente. El funcionamiento bajo estas condiciones por períodos prolongados, pueden llevar a fatigar y quebrar los alabes. Espor esto que es recomendable no operar cerca de esta condición de stall.

Ventiladores Centrífugos:

A diferencia de los ventiladores axiales que utilizan el principio del empuje, los ventiladores centrífugos arrastran el aire en círculos y usan fuerza centrífuga para generar movimiento de aire(ver figura 5). Además, estos ventiladores cambian la dirección del flujo a un plano perpendicular al eje de entrada del fluido. Se puede afirmar que en general los ventiladores centrífugos son más eficientes y logran generar mayores presiones que los axiales.

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Fig. 5

La forma de los alabes pueden ser variados, a continuaciónmostraremos la clasificación con respecto a los impulsores:

Álabe Aerodinámico:

El más eficiente de todos los modelos, pueden llegar hasta un90%. La máxima eficiencia se produce en un punto estable de operación. Usado típicamente para aplicaciones HVAC (calefacción, ventilación y aire acondicionado), donde la eficiencia del sistema es muy importante y donde se mueve aire limpio.

Álabe Curvado hacia atrás:

La eficiencia es un poco menor que el anterior, pero de más fácil construcción, las eficiencias pueden llegar a 85%. Usado para aplicaciones HVAC y aplicaciones industriales, para mover aire limpio y gases con bajas características erosivas.

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Álabe Radial:

El más simple de construcción, y a su vez poco eficiente. Buena resistencia mecánica y fácil de reparar. Puede alcanzarpresiones mayores, pero las eficiencias en general son menores a 70%. El motor debe seleccionarse con cuidado, ya que la potencia aumenta a medida que sube el caudal. Adecuadopara el manejo de gases y materiales particulares, donde la erosión puede ser un problema.

Álabe Radial de uso Especial:

Este impulsor ha sido especialmente diseñado para el transporte de materiales de fuerte adherencia, pesados, abrasivos o filamentosos. Por lo general tienen 8 paletas radiales soldadas al disco posterior y a un cubo (maza) especial.

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Los alabes radiales tienden a ser menos eficientes que los inclinados hacia atrás, y estos últimos menos que los curvados hacia atrás. La mayoría de los ventiladores utiliza una carcasa para recuperar la energía cinética impartida por el impulsor y convertirla a presión estática. Los ventiladores con alabes inclinados hacia atrás se usan habitualmente en aplicaciones HVAC (heating, ventilation, and air conditioning) o HVAC ( calefacción , ventilación y aire acondicionado ).Estosventiladores también pueden tener doble entrada, lo cual produce el doble de flujo que un ventilador de una sola entrada a la misma presión de trabajo. Este tipo es muy utilizado en manejadoras de aire.

La figura 6, muestra una curva de rendimiento típica de unventilador Centrífugo, puede apreciarse que el “stall”producido no es tan severo como el caso de los axiales. Losventiladores centrífugos en general son más robustos y sonpor ende más tolerantes a operar bajo condiciones inestables.

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Fig. 6

Otros tipos de ventiladores:

Existen variados tipos de ventiladores, que de una u otraforma corresponden a una mezcla de un ventilador axial conuno centrífugo. A continuación se describen algunos de ellos.

Flujo Mixto:

Estos ventiladores incluyen los efectos de empuje y fuerzacentrífuga. Estos pueden poseer descarga axial o vertical.Los de tipo axial, poseen una alabes directores a la salidaque disminuyen la rotación del flujo a la salida. Por logeneral poseen menos "stall" que otros ventiladores. Lapresión generada por un ventilador de este tipo es por logeneral mayor a la de un axial. Las eficiencias logradaspueden ser mayores a 60-65%, pero por lo general no muchomayores que esto. Algunas aplicaciones típicas corresponden ala industria del petróleo offshore.

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Flujo Cruzado:

Los impulsores son similares a los centrífugos de múltiples alabes, pero su principio de funcionamiento es diferente. El flujo cruza de un lado del impulsor al otro, se forma un vortex debido a las fuerzas de los alabes. Las eficiencias son bajas, pero los niveles de ruido son bajos. Son utilizados en general en pequeños equipos domésticos, que poseen una forma rectangular larga y delgada.

Ventilador de techo:

Existen variados modelos, que utilizan impulsores de tipocentrífugo, axial y flujo mixto. Estos ventiladores por logeneral no se conectan a ductos de aire y por lo tanto operana presiones estáticas bajas. Las eficiencias son por logeneral bajas, 50% o menores. Los impulsores de tipocentrífugos son más eficientes, los de flujo mixto mássilenciosos y los axiales pueden mover más flujo. Sus usostípicos son para extracciones de cocinas, bodegas,instalaciones comerciales, entre otras.

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Ventilador de Pleno:

Es un ventilador que posee un impulsor de tipo centrífugo dentro de un pleno. Son diseñados para generar altos volúmenes de aire a presiones medias o bajas, pero con eficiencias bajas. Este ventilador no posee una carcasa como otros, y por lo tanto una buena parte de la energía cinética se pierde y no es convertida en presión estática. Su principal uso es en manejadoras de aire.

3.1.2. LEYES DE LOS VENTILADORES:

LEYES DEL VENTILADOR:

No es muy práctico realizar pruebas de rendimiento para cada tamaño de ventilador, a todas las velocidades disponibles de operación y para las diferentes densidades de gases que pudiera utilizar. Es aquí donde las leyes de los ventiladoresson de gran utilidad, ya que permiten predecir el rendimientode ventiladores, geométricamente similares, para diferentes tamaños y velocidades.

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Estas leyes son útiles para estimar cambios en el flujo de aire, presión y potencia para un ventilador cuando cambia su tamaño, velocidad de rotación o cuando cambia la densidad de un fluido. Es importante destacar que estas leyes se aplican a un mismo punto de operación de la curva característica y nopara predecir otros puntos de operación de la misma curva.

La Figura 7 muestra como el efecto de aumentar o disminuir lavelocidad, puede ser estimado mediante el uso de las leyes delos ventiladores.

fig. 7

Resistencia del sistema:

Cuando el aire circula a través de un sistema de ductos, la energía transferida por el ventilador al aire se pierde en forma progresiva por:

Roce debido al contacto con las paredes de los ductos. Turbulencia generada en las curvas, dampers, cambios de

sección. A través de serpentines, calefactores, filtros y otros

elementos presentes en el sistema.

El ventilador debe ser capaz de vencer la caída total de presión del sistema, tal como se muestra en la Figura 8.

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Fig. 8

La pérdida de presión debido a todos los elementos del sistema se conoce como la resistencia del sistema, y para efectos prácticos se puede afirmar que es proporcional al cuadrado de la velocidad en el punto de pérdida. Por lo tanto, para un sistema fijo, se podría decir que la presión requerida por flujo de aire varía en forma proporcional al cuadro de este último. Si se quiere duplicar el flujo de aireen el sistema, la presión a vencer será cuatro veces mayor.

Por ejemplo, si el flujo inicial es 6 m3

s a una presión de 3kPa

y es necesario duplicar el flujo, la nueva presión que el ventilador deberá generar es 12kPa. Esto es sólo válido para un sistema fijo y a densidad constante. Si las condiciones cambian, lo anterior no es válido.

Combinación de la resistencia y de las leyes:

Tal como fue mencionado, la caída de presión en un sistema aumenta o disminuye en función del cuadrado del flujo aire, ode la velocidad del aire. Cuando un ventilador es conectado aun sistema, el caudal de aire se estabilizará cuando la caídade presión del sistema sea igual a la presión aportada por elventilador. Esto se puede ver en el punto A de la Figura 9,

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donde la curva del sistema cruza la curva del ventilador. A esto se le denomina el punto de operación.

Fig.9

Un cambio en la resistencia del ventilador (causado por el cierre o apertura de un dámper por ejemplo) resultará en cambios en el punto de operación. En la siguiente figura es posible apreciar que si baja la presión del sistema al punto B, el nuevo punto de operación del ventilador entregará un caudal mayor. Por otro lado si la presión del sistema sube, podría ser posible llegar a un nuevo punto de operación C. Debe notarse que es posible que la caída de presión sea la misma para los puntos A y C, pero el caudal generado por el ventilador es menor en el punto C. Esto es exclusivamente debido a curva característica del ventilador.

Es importante notar que si el punto de operación real es muy diferente del punto de diseño, esto puede ocasionar que diferencias considerables en el consumo de potencia del ventilador. Como fue mencionado anteriormente, un cambo en la velocidad del ventilador producirá un cambio de igual magnitud en el caudal de aire, esto debido a las leyes de los ventiladores.

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Sin embargo, la potencia requerida variará en forma proporcional al cubo de la velocidad. Es decir si la velocidad aumenta en un 10%, la potencia absorbida aumentará en 33%. Esto se muestra en la siguiente figura.

Las leyes de los ventiladores no pueden ser aplicadas, si el cambio de caudal es logrado debido a que se utiliza otra tipode ventilador.Si existe un cambio de densidad, esta alterará la curva característica del ventilador y la curva del sistema. Esto sepuede apreciar en la Figura 10, mostrado en línea entrecortada. Estos cambios pueden ser estimados utilizando las leyes de los ventiladores. De acuerdo a las leyes, para un caudal de aire dado, la presión del ventilador es proporcional a la densidad. Por otro lado, la presión del sistema también es proporcional a la densidad del aire.

Fig.10

LEYES DE AFINIDAD DE LOS VENTILADORES:

Consideremos un ventilador en acción con su boca de aspiración completamente cerrada. El caudal es evidentemente nulo, pero la presión suministrada es máxima y viceversa, puesto que los ventiladores centrífugos son aparatos

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autorregulables en los que la función presión - caudal puede representarse por una curva.

De la misma manera puede representarse por una curva la variación del rendimiento del caudal. Esta curva representa una función creciente que pasa por un máximo para decrecer deforma muy rápida.

Una tercera curva representa las variaciones de potencia en función igualmente del caudal.

El ventilador debe ser utilizado aprovechando, como es lógico, su rendimiento, máximo.

Es inexacta la creencia de que un ventilador trabaja solamente bajo una presión constante.

La presión de utilización es función del caudal demandado y aquella se determina sobre la curva característica del aparato, la cual se hace de imprescindible del aparato, la cual se hace de imprescindible necesidad para que el utilizador pueda pasar de un régimen de marcha a otro, siendomuy de lamentar el que algunos constructores omitan estos datos en su documental comercial.

En la figura 11 se representan las curvas características de un ventilador de una sola etapa.

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Fig. 11

Hasta ahora hemos supuesto constante la velocidad del aparato, pero si esta varía lo hacen igualmente la presión y el caudal de acuerdo con las llamadas leyes de afinidad.

A. Para un determinado aparato.

Cuando la variable es la VELOCIDAD.

1. El caudal varía en razón directa a la velocidad:

Q1Q2

=V1

V2

2. La presión total varía en razón directa del cuadrado de lavelocidad.

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Pt1Pt2

=V1

2

V22

3. La potencia absorbida varía en razón al cubo de la velocidad.

Pabsorbida1Pabsorbida2

=V1

3

V23

Cuando la variable es la PRESION:

4. El caudal varía en razón directa de la raíz cuadrada las presiones totales.

Q1Q2

=√Pt1

Pt2

5. La velocidad varia en razón directa de la raíz cuadrada delas presiones totales.

V1

V2=√Pt1

Pt2

6. La potencia absorbida varía en razón directa de las potencias 3/2 de las presiones totales.


=(Pt1Pt2 )3/2

B. Para una determinada presión total y ángulo de salida de aletas.

Cuando la variable es el DIAMETRO del rodete:

7. El caudal varía en razón directa del cuadrado del diámetrodel rodete.

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Q1Q2

=(D1

D2)2

8. La potencia absorbida varía en razón directa del cuadrado del diámetro del rodete.


=(D1D2 )2

9. La velocidad varía en razón inversa al diámetro del rodete.

V1

V2=D2

D1

De la combinación de "A" y "B" se obtiene:

Q1Q2

=(D1

D2)3

xV1

V2

Pt1Pt2

=(V1

V2)2

x(D1

D2)2


=(D1D2 )5

x( V1

V2)3


=Q1

Q2xPt1Pt2

3.1.3. CURVA CARACTERISTICA DE UN VENTILADOR:

Para llegar al concepto y realización de la Curva Característica de un ventilador, vamos a suponer un ensayo que nos conduzca hacia ello. Imaginemos un ventilador, Fig. 12.

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Fig. 12

Posición a) Que, en descarga libre, proporcione un caudal Q = 10.000 m³/h. Le acoplamos un conducto.

Posición b) De 10 m de longitud y comprobamos que el caudal se ha reducido a Q = 8.000 m³/h. Alargamos a continuación el conducto hasta 50 m y medimos un caudal.

Posición c) De Q = 5.000 m³/h. Este experimento pone de manifiesto que,a medida que aumentamos la longitud del conducto acoplado, o sea que incrementamos la dificultad u obstrucción al pasodel aire, disminuye el caudal que proporciona el ventilador.

Esta disminución, que se llama pérdida de carga, es debida al rozamiento del aire con las paredes del conducto, a los cambios de dirección, torbellinos, contracciones de la venafluida u otros accidentes u obstáculos en las canalizaciones.

Para poder disponer de los distintos caudales de que es capaz un ventilador según sea la pérdida de carga del sistema resistente contra el cual esté trabajando, se ensaya el aparato variándole la carga desde el caudal máximo al caudal cero. Todos los pares de valores obtenidoscaudal-presión se llevan a unos ejes coordenados, obteniéndose la Curva Característica.

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La Fig. 13 representa una curva tipo en la que se han grafiado las presiones estáticas, que representan las pérdidas de carga, y las totales y dinámicas. También se representa una curva de rendimiento mecánico del aparato.

La característica de un ventilador es la mejor referencia del mismo ya que indica su capacidad en función de la presión que se le exige.

El punto ideal de funcionamiento es el que corresponde a sumáximo rendimiento y es con el que debería coincidir el punto de diseño del mismo, el punto N en la Fig. 13.

Fig.13. Representación de una curva tipo en la que se han grafiado laspresiones estáticas.

La zona de trabajo idónea de un ventilador es el tramo A-B desu característica. Entre B y C su funcionamiento es inestable, el rendimiento desciende rápidamente y aumenta notablemente el ruido. Por ello en muchos catálogos se representa sólo el tramo eficaz de funcionamiento obviando eltramo hasta la presión máxima de que es capaz. Vemos, pues, que el ventilador es una máquina que utiliza la energía de que dispone para vencer una pérdida de carga y para mover un caudal de aire.

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Como sea que ambas magnitudes están relacionadas de tal formaque un aumento de la primera representa ineludiblemente una reducción de la segunda, nos damos cuenta de la importancia que tiene decidir la configuración de un sistema de ventilación de forma que exija la menor pérdida de carga posible, para así, mover un mayor caudal de aire que, en definitiva, es la misión primordial del ventilador.

3.1.4. PUNTO DE TRABAJO DE UN VENTILADOR:

Para conocer el punto en que trabajará un ventilador, una vez determinada la pérdida de carga que debe vencer el mismo,no hay más que, sobre el eje de ordenadas, señalar la pérdidade carga en mmca.(milímetros columna de agua)

A partir de aquí y con una horizontal llegaremos a cortar la curva característica en un punto, a partir del cual y mediante una línea vertical llegaremos a cortar el eje de abscisas, en donde nos indicará el caudal que proporcionará el ventilador en cuestión, trabajando contra la pérdida de carga que hemos considerado inicialmente.

Por ejemplo: si el ventilador de la Fig. 14 debe vencer 16 mmca, a partir de este valor sobre el eje de ordenadas, con una horizontal cortaremos la curva en el punto de trabajo N yde aquí, con una vertical, encontraremos el eje de abscisas en 5.000 m³/h que es el caudal que dará el aparato.

Si disponemos de la característica resistente del sistema, podemos encontrar de forma fácil el punto de trabajo de un ventilador acoplado al mismo sin más que superponer las curvas características del ventilador y resistente del conducto según se indica en la Fig. 14.

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Fig.14. Curva Característica de un Ventilador.

El punto de intersección de ambas nos dará el punto N de trabajo del ventilador. Si deseamos construir la característica resistente del sistema debemos partir de la base de que en las instalaciones de ventilación la pérdida decarga que se origina varía proporcionalmente al cuadrado del caudal que fluye a través de la canalización.

Si suponemos que para un caudal de aire de 6.000 m³/h la pérdida de carga que se origina es de 3,5 mmca, la pérdida decarga que provocará un caudal de 8.000 m³/h lo encontraremos mediante esta expresión:

P=80002

60002x3.5=6.2mmca

Si el caudal lo suponemos de 4.000 m³/h la pérdida de carga será:

P=40002

60002x3.5=1.555mmca

Llevando estos valores, más otros que se calculen del mismo modo, sobre unos ejes coordenados, obtendremos la característica del sistema, que reviste la forma de la Fig.

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14.

Fig.15. Curva Característica

Es indispensable disponer de las curvas características de los ventiladores susceptibles de ser instalados, para cualquier cálculo e instalación que se haga.

Las curvas deben estar avaladas por el fabricante, quienlas garantizará haciendo referencia a la norma y disposición adoptada para su determinación.

Las curvas características de ventiladores se obtienen en laboratorios de ensayos debidamente equipados y por analistas especializados. Ello supone la sujeción a procedimientos según normalizaciones oficiales y aparatos, túneles y cámaras calibrados. La máxima garantía se obtiene cuando el laboratorio cuenta con unaacreditación oficial.

3.1.5. FORMADE ÁLABES Y TRIÁNGULO DE VELOCIDADES:

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Lo alabes son elementos que se encuentran presentes en las turbomaquinas, básicamente su forma deriva de los perfiles alabes ya que una de sus funciones es mediante una descomposición vectorial del vector velocidad (Famoso Triángulo de velocidades) transformar la energía.

Fig. 16

Fig. 17

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3.2 REQUERIMIENTOS DE DISEÑO:

Hútil=160mmca

Qrequerido=1m3s

TO=20°C

PO=100Kpa

3.5.1 DATOS ASUMIDOS:

Para el diseño del ventilador asumiremos algunos parámetrosque se encuentran en unos rangos recomendados por el profesordichos parámetros son:

Eficiencias:

Ángulos de los alabes:

Parámetro “K” para hallar el número de alabes:K=6.5

Espesor de los alabes “e”:e=3mm

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n

total = 65-75 %

ᵦ1 = 25º - 35º

ᵦ2 = 40º - 70º


Plancha Estructural de Acero al Carbono de Mediana ResistenciaMecánica

NORMA TÉCNICA F R A NORMA EQUIVALENTEKg/mm2 Kg/mm2 %

ASTM A-3625.3min 41-56

20min EN 10025-2 GRADO S 235

SISTEMA METRICO TOLERANCIA ESPESOR PESO TEORICO SISTEMA INGLES(mms) +/- en mms kg/pl Espesor Equiv. (pulg.)

3.0 x 1500 x 6000 0.32 / 0.32 211.95 1/8’’

También en el diseño del ventilador tomaremos condiciones dediseño además de la condición que las velocidades meridianasa la entrada y salida del rotor son iguales matemáticamenteesto se expresa de la siguiente forma:

En el siguiente cuadro se presentan los valores asumidos parael diseño de nuestro ventilador

30º60º0.70

0.95

0.97

0.75

Tabla 1: Parámetros asumidos de diseño

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3.3 CÁLCULOS PRELIMINARES:

Inicialmente calculamos todos los parámetros necesarios parahallar la potencia al eje con lo cual seleccionaremos elmotor eléctrico para ello tomaremos de referencia lascondiciones del aire a nivel del mar o condiciones normales:

Propiedades del aire a condiciones normales:

T0=20˚C=293˚K

P0=100KPa

ρaire=100

0.287x293

ρaire=1.189Kgm3

Luego

Hairexρairexg=Haguaxρaguaxg

Haire=0.150×1000

1.189

Haire=126.156m

Calculamos la potencia al eje:

Peje=ρaire.g.Q.H1000.nT

=1.189×9.81×1×126.1561000x0.70

Peje=2.102kW=3HP

Usando F.S. = 1.2

Pplaca=FSxPeje=1.2x3HP=3.6HP

pág. 34


Hallada la potencia de placa seleccionaremos el motoreléctrico, por recomendación se debe seleccionar un motor queexceda la potencial al eje por las pérdidas que ocurren en elmotor eléctrico y la forma de acople entre el motor y elventilador del siguiente grafico seleccionamos el motor ausar (ver en los anexos):

Tabla 2: Motores Eléctricos Trifásicos uso Industrial dePropósito General. Fuente: DELCROSA

De la tabla seleccionamos el motor de 4 polos de potencia 4HP cuyo valor nominal de sus RPM es:

N=1710RPM

Con este valor empezamos los cálculos propios del rodete del ventilador

Nota: Si eligiésemos un motor eléctrico de 2 polos su N= 3410RPM esto ocasionaría que el Nq = 84 y no estaría dentro del rango de 20 y 50.

pág. 35


3.4 CÁLCULO DEL RODETE:Hallamos la velocidad específica requerida al caudal Nq:

Nq=Nx√QH3 /4

Nq=1710x√1.9126.1563/4

Nq=62.62

Con ese valor de Nq buscamos el valor en la siguiente tabla:

Nq 20 25 30 35 40 45 501.1

1.08

1.05

1.01

0.97

0.93

0.90

Tabla 3: Cifra de presión. Fuente: Apuntes de clases.

El valor está comprendido entre 40 - 45 hallamos la ecuaciónmás cercana.

15 20 25 30 35 40 45 50 550

0.2

0.4

0.6

0.8

1

1.2

f(x) = − 4.761904761905E-05 x² − 0.003666666666667 x + 1.19714285714285R² = 0.995592286501378

ѱ=f(Nq)

ѱ=f(Nq)Polynomial (ѱ=f(Nq))

ψ=−0.00005Nq2−0.0037Nq+1.1971

ψ=−0.00005 (62.62 )2−0.0037 (62.62 )+1.1971

pág. 36


ψ=0.769

Hallamos la velocidad tangencial en el punto 2 usamos la ecuación de la cifra de presión:

ψ=2xgxHaire

U22

0.769=2x9.81x125.156

U22

U2=56.5m/s

Con el valor de la velocidad tangencial hallamos el valor deldiámetro de salida del rotor:

U2=πxD2xN60

56.5=πxD2x1710

60

D2=0.631m=631mm

También hallamos la cifra de caudal por requerirse para calcular diámetro (D1):

φ=4Q

πxD22xU2

φ= 4x1.9πx0.632x56.5

φ=¿0.1078

Hallamos la relación de diámetros que nos servirá para hallarel diámetro de entrada y después para hallar en número dealabes que tendrá nuestro rotor la fórmula que nos permitehalla dicha relación es:

pág. 37


D1D2≥1.063x 3√(

φtanβ1

)

D10.631

≥1.063x 3√ 0.1078tan30º

D1≥0.383m

Hallamos el diámetro de entrada D1:

Asumiendo1 D1 mayor, por ejemplo:

D1=0.39m

Con la relación de diámetros hallamos el número de alabes delrodete mediante la ecuación:

Z=K( 1+γ1−γ )sen(

β1+β2

2)

γ=D1D2

= 0.390.631

=0.618

Z=6.5( 1+0.6181−0.618 )sen(

30+902

)

Z=23.84≈24alabes

Hallamos los anchos de los alabes para ello haremos unoscálculos previos y analizaremos los triángulos de velocidadesen la entrada y salida del rotor:

Triangulo de velocidades en la entrada del rotor:

1

pág. 38


Ilustración 8 triangulo de velocidad A laentrada

Hallamos la velocidad tangencial a la entrada del rodete:

U1=πxD1xN60

U1=πx0.39x1710

60

U1=34.91m /s

En el triángulo de velocidades a la entrada del rotor:

C1=Cm1=U1xtanβ1

Cm1=34.91xtan30º

Cm1=20.155m /s

Considerando

Cm1=Cm2=20.155m /s

Triángulo de velocidades a la salida del rotor:

pág. 39


Ilustración 9 triángulo de velocidad A lasalida

Hallamos la componente de la velocidad :

wu2=0

Después hallamos la componente :

Cu2=U2

Cu2=56.5

Con este valor hallamos el ángulo :

tan∝2=Cm2Cu2

tan∝2=20.15556.5

pág. 40


∝2=19.63

Con el número de alabes y el espesor de los álabes calculamoslos coeficientes de corrección por espesor de alabe:

Ke1=t1

t1−s1

s1=e

senβ1

t1=πD1

Z

Reemplazando valores:

s1=0.003sen30

=0.006m

t1=0.39xπ

24=0.051m

Ke1=0.051

0.051−0.006=1.1333

Coeficientes de corrección para el punto 2:

Ke2=t2

t2−s2

s2=e

senβ2

t2=πD2

Z

Reemplazando valores:

pág. 41


s2=0.003sen90

=0.003m

t2=0.631xπ

24=0.0825m

Ke2=0.0825

0.0825−0.003=1.037

Hallados todos los parámetros, por continuidad hallamos losanchos de los álabes a la entrada y a la salida:

Qnv

=πb1.D1x(

Cm1Ke1

)

b1=Q(Ke1)

π(nv).D1.Cm1

Análogamente

b2=Q(Ke2)

π(nv).D2.Cm2

Reemplazando, se tiene

b1=1.9(1.1333)

π (0.97)x0.39x20.155=0.0898m

b2=1.9(1.037)

π (0.97)x0.631x20.155=0.0347m

Para finalizar los cálculos en el rodete calculamos la alturateórica de Euler:

HR∞=CU2xU2

g

pág. 42


HR∞=43.35x52.9

9.81=233.76m

También el coeficiente de resbalamiento (μ):

μ=HUtil

nHidraulicaxHR ∞

μ=134.566

0.75x233.76=0.7675

Fórmula de Pfleiderer

Como :

γ=D1D2

=0.3200.590

=0.54237>0.5

μ=1

1+ε

ε=(0.4+1.2γ )x 2kz (1−γ2 )

k=0.55+0.6sinβ2

Reemplazando

k=0.55+0.6sin60=1.0696

ε=(0.4+1.2 (0.54237 ))x 2 (1.0696)16 (1−0.542372 )

=0.19905

μ=1

1+0.19905=0.83399

Luego μ=0.83399>0.7675

pág. 43


Nota.

Consideramos HUtil=Haire elegimos el mayor valor obtenido del coeficiente de

resbalamiento. μ=0.83399

Finalmente hallamos la velocidad afectada por el efecto devórtice relativo:

C'U2=μxCU2

C'U2=0.83399x43.35=36.15m /s

Hallada esta velocidad y el valor de los coeficientes decorrección por espesor de alabe se puede graficar eltriángulo de velocidades con el efecto combinado de espesorde alabe y vórtice relativo:

Cm0=Cm1Ke1

=16.541.1056

=14.96m /s

Cm3=Cm2Ke2

=16.541.031

=16.04m /s

Ilustración 10 Ilustración 11

pág. 44


3.5 TRAZADO DEL PERFIL DEL ALABE:

3.5.1 TRAZADO DEL PERFIL DEL ALABE POR EL MÉTODO DE PUNTOS

Este método consiste en hacer variar los ángulos límites del

alabe β1 y β2. Con sus respectivos radios podemos obtener el

alabe por segmentos dando valores a β y hacer trazado de

segmento, este es un proceso de iteración. Esta iteración es

mejor realizarla por calculo que determina a cada ángulo φ un

radio r.

Datos calculados:

β1=30°β2=60°r1=0.160mr2=0.295m

Ilustración 12

pág. 45


Donde β es un ángulo que varía linealmente según la siguienterelación:

Entonces:

β=β1+a (r2−r1 )

60°=30°+a(0.295−0.160)

a=222.22

La ecuación es:

β=30+222.22 (r−0.160)

φ=180π ∫

r1

r2 drr×tanβ

Tabulando en una hoja de cálculo para obtener el resto devalores:

Nº r(m) β

° tanβ B=1

rtanβ

∆f=∆r(Bn+Bn−1)

2∑ ∆f=φrad φ°

1 0.16 30

0.577 10.83 0.0000 0 0

2 0.169

32

0.625 9.47 0.0913 0.091 5.23

3 0.17 3 0.67 8.33 0.0801 0.171 9.82

pág. 46


8 4 5

4 0.187

36

0.727 7.36 0.0706 0.242 13.8

7

5 0.196

38

0.781 6.53 0.0625 0.305 17.4

5

6 0.205

40

0.839 5.81 0.0555 0.360 20.6

3

7 0.214

42

0.900 5.19 0.0495 0.410 23.4

7

8 0.223

44

0.966 4.64 0.0443 0.454 26.0

0

9 0.232

46

1.036 4.16 0.0396 0.493 28.2

710

0.241

48

1.111 3.74 0.0355 0.529 30.3

111 0.25 5

01.192 3.36 0.0319 0.561 32.1

412

0.259

52

1.280 3.02 0.0287 0.590 33.7

813

0.268

54

1.376 2.71 0.0258 0.615 35.2

614

0.277

56

1.483 2.44 0.0232 0.639 36.5

915

0.286

58

1.600 2.18 0.0208 0.659 37.7

816

0.295

60

1.732 1.96 0.0186 0.678 38.8

4

pág. 47


Tabla 4: Calculo previo para trazar un álabe del rotor.Elaboración: Propia

Con estos puntos podemos diseñar el perfil de nuestrosalabes.

pág. 48


3.6 DISEÑO DE LA VOLUTA O ESPIRAL DEL VENTILADOREl diseño de la voluta se hará en base de la siguienteecuación:

log Rri

=Kpxφ

Si:

ri=r2

R=Rmáx

Entonces:

logRmáx

r2=Kpx360°

Kp=

logRmáx

r2

360°

Se recomienda:

β2<90°→Rmáx=(1−1.12 )xD2

Datos:

D2=0.590m→r2=0.295m

Rmáx=1.1xD2

Rmáx=1.1x0.590m=0.649m

Hallando KP

Kp=

log(0.6490.295 )360°

=0.00095117

pág. 49


Luego:

log( Rri )=KpxφUsaremos la relación :log( Rri )=0.00095117xφHallada la ecuación con ayuda de una hoja de cálculo ytabulando resultados hallamos los puntos para el perfil de lavoluta o espiral:

pág. 50

Nº R ɸ°1 0.2950 0.002 0.3049 15.003 0.3150 30.004 0.3256 45.005 0.3364 60.006 0.3477 75.007 0.3593 90.008 0.3713 105.009 0.3837 120.0010 0.3965 135.0011 0.4097 150.0012 0.4234 165.0013 0.4376 180.0014 0.4522 195.0015 0.4673 210.0016 0.4829 225.0017 0.4990 240.0018 0.5157 255.0019 0.5329 270.0020 0.5507 285.0021 0.5691 300.0022 0.5881 315.0023 0.6077 330.0024 0.6280 345.0025 0.6490 360.00


Tabla 5: Tabulación de datos de la cámara del ventiladorcentrífugo. Elaboración: Propia

Con estos resultados se traza el perfil de la voluta, lostrazados del perfil del alabe y de la voluta se adjuntaran enplanos al trabajo monográfico.

IV. BIBLIOGRAFÍA

“APUNTES DEL CURSO DE MÁQUINAS HIDRAULICAS”. Cicloregular 2013 A. Universidad Nacional del Callao. Perú.Docente. Ing. Hernán Pinto.

Cauti-Chavez y Paredes “DISEÑO DE ROTORES AXIALES YRADIALES”. Monografía curso Turbomaquinas I. UniversidadNacional de Ingeniería. 2010. Perú. Docente. Ing. ArturoMaldonado.

Carl Pfleiderer - “BOMBAS CENTRIFUGAS Y TURBOCOMPRESORES”.Editorial Labor.1960

McQuiston – Parker - Spitler. “CALEFACCIÓN VENTILACIÓN YAIRE ACONDICIONADO”. Editorial Limusa S.A .

Carrier – “Manual de AIRE ACONDICIONADO” EditorialMarcobombo S.A 2009

pág. 51


http://www.definicionabc.com/tecnologia/ventilador.php

http://www.quiminet.com/articulos/que-son-los-ventiladores-industriales-15349.htm

http://www.frioycalor.cl/91/tema3.htm

http://www.airtecnics.com/es/Products_sub/70/centrifugal-fans

http://www.forofrio.com/index.php/noticias2/250-ventiladores-de-flujo-axial-problemas-y-soluciones

http://www.solerpalau.cl/formacion_01_13.html

http://www.acta.es/medios/articulos/ciencias_y_tecnologia/059095.pdf

V. ANEXOS

pág. 52


Vista frontal y lateral de los motores trifásicos deinducción (tamaños 71 a 160)

Despiece del motor trifásico de inducción

pág. 53

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