Medida de la curva característica de un ventilador axial

UNIVERSIDAD DE SANTIAGO DE CHILE FACULTAD DE INGENIERÍA DEPARTAMENTO DE INGENIERÍA EN MINAS LABORATORIO DE VENTILACIÓN EN MINAS

Experiencia N°2

MEDIDA DE LA CURVA CARACTERÍSTICA DE VENTILADOR AXIAL

Docente:

Juan Pablo Hurtado Cruz Ayudante:

Alberto Fernández Fernández Osorio Integrantes:

Julio Herrera Pavez Exequiel Núñez Aguilera María José Rojas Fuentes Claudia Véliz Gajardo Fecha de entrega:

14 de diciembre de 2015 Santiago, 14 de diciembre de 2015


RESUMEN EJECUTIVO En minería subterránea, la ventilación es uno de los servicios más importantes y complejos que hay que suministrar de una manera óptima, para así asegurar tanto el confort en el ambiente de trabajo como el control de polvos y concentración de gases. Para ello, la utilización de ventiladores es una buena alternativa. Estos pueden ser de varios tipos, ya sea del tipo centrífugo o axial. El presente informe expone los resultados obtenidos en la experiencia realizada el día 30 de noviembre, en dependencias del Laboratorio de Ventilación, ubicado en la Ex- Enami, en donde se hicieron variadas mediciones a un ventilador axial. La hipótesis de trabajo es: ¿Se modificara la curva del ventilador axial si al aumentar la obstrucción del paso de aire, disminuye el caudal que proporciona el ventilador? ¿Su curva característica se comportará de la misma forma que la curva la teoría?

El objetivo de este práctico consiste en obtener la curva característica de un ventilador axial, así como también el caudal y la presión que caracterizan a cada turbomáquina. La metodología utilizada para conseguir dicho objetivo, fue medir la máxima columna indicada en el manómetro de cada ventilador al obstruir el paso de aire totalmente, para así calcular la máxima presión y velocidad. Con el dato de velocidad determinado anteriormente, se calculó la velocidad, presión y también la altura que debe alcanzar el manómetro inclinado, en cada uno de los puntos. Al realizar la medición, se registraron la presión dinámica, estática y la intensidad eléctrica. Los resultados obtenidos fueron los siguientes: Pt (Pa) 294.3 252.12 245.25 196.2 220.53 174.62

Q(m3/s) 0 0.11 0.14 0.19 0.28 0.56

Ns (%) 0 8.04 5.4 6.18 9.7 10.87

flujo turbulento turbulento turbulento turbulento turbulento

A un voltaje constante de 220V e intensidad variable, se obtuvo la curva característica para el ventilador axial estudiado, con una zona de atascamiento entre 0.24-0.28 m ³/s. La máxima eficiencia obtenida fue de 10.87 %, en el punto de máximo caudal, la cual es bastante baja y se puede deber a errores aleatorios como el posicionamiento del cono regulador, mala lectura de los dispositivos utilizados, etc. Se recomienda realizar el mismo análisis para un ventilador centrífugo y mejorar la ejecución del ensayo. 2


TABLA DE CONTENIDOS 1. Introducción 2. Objetivos del informe 2.1 Objetivo general 2.2 Objetivos específicos 3. Alcances 4. Metodología 5. Presentación de los datos 6. Desarrollo y resultados 7. Conclusiones y recomendaciones 8. Bibliografía 9. Anexos

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1. INTRODUCCIÓN Los inicios de la ventilación en minería son difíciles de precisar, pero antes del siglo XVI ya se estudiaba e implementaban soluciones de acuerdo a la época. En el año 1850, el ingeniero inglés John Atkinson estableció las primeras bases de lo que hoy se conoce como la ventilación de minas . Este dedujo que la diferencia de presión requerida para inducir flujo a través de una galería es proporcional al cuadrado de la velocidad, la longitud y el perímetro de la misma, e inversamente proporcional al área de esta. También determinó que el revestimiento interno de las galerías influía en la diferencia de presión requerida para inducir el flujo. Hoy en día, la ventilación es un proceso mucho más complejo y se realiza a través de ventiladores, los cuales se han debido adecuar a los grandes proyectos mineros. Los primeros ventiladores fueron los del tipo centrífugo, de gran diámetro y baja velocidad, pero con el nacimiento de la aviación y el avance de la aerodinámica, aparece el ventilador axial, los que a la larga han mostrado mejores resultados. Sin embargo, los ventiladores centrífugos han sido mejorados sobre la base de principios aerodinámicos, por lo que han recuperado vigencia. La diferencia entre un ventilador centrífugo y otro axial, es que en el primero el aire abandona el impulsor en una dirección perpendicular respecto al eje del impulsor, mientras que en el axial, la forma en que el aire pasa a través del ventilador se asemeja al principio de acción de un par tornillo/tuerca. Estos pueden ser utilizados ya sea en ventilación principal o de superficie, como ventiladores reforzadores y auxiliares. El objetivo de esta experiencia busca encontrar las curvas características para un ventilador axial. Esto debido a que la mejor referencia del ventilador es el mismo, y gracias a estas curvas se podrá determinar su capacidad en función de la presión que se le exige. La metodología seguida fue medir la máxima altura indicada en el manómetro cuando se obstruye totalmente el paso de aire y con eso, determinar la máxima velocidad y presión. En base a eso, calcular la velocidad, presión y altura del manómetro que debe haber en cada uno de los puntos. Este informe cuenta con las siguientes subdivisiones: objetivos del informe, alcances, metodología, presentación de los datos, desarrollo y resultados, conclusiones y recomendaciones, bibliografía y anexos.

4


2. OBJETIVOS DEL INFORME 2.1 OBJETIVO GENERAL 

Obtener la curva característica de ventilador axial además de sus caudales y presiones que los caracterizan.

2.2 OBJETIVOS ESPECÍFICOS     



Determinar potencia de alimentación. Determinar potencia hidráulica. Determinar eficiencia total. Obtener el número de Reynolds. Obtener gráficas correspondientes a la curva característica (Pa) versus Q (m³/s), (Pa) versus Q (m³/s) y (Pa) versus Q (m³/s). Obtener gráficas correspondientes a la curva característica representando We y Ws (kW) versus Q (m ³/s). Ubicar el rendimiento .

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3. ALCANCES 

    

El presente trabajo fue solicitado por el ingeniero de minas Juan Pablo Hurtado, en el contexto del Laboratorio de Ventilación de Minas del DIMIN, USACH, con el objetivo principal de obtener la curva característica de dos ventiladores, uno axial, y se entregarán los resultados cumplido un plazo de dos semanas de trabajo. Diámetros tuberías. Voltaje entregado por la red. Tamaños y dimensión de ventiladores. Manómetros conectados a tubos Pilot ubicados dentro de la tubería. No se analizará la curva de ventilador centrífugo por no contar con los datos necesario para ello.

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4. METODOLOGÍA Para realizar esta experiencia se siguieron los siguientes pasos: 1. Medir máxima altura de columna en el manómetro inclinado al obstruir completamente el paso de aire al ventilador. 2. Con el dato anterior, calcular la máxima presión y velocidad. 3. Determinar la velocidad y presión en cada punto a medir (6 en ventilador axial ) 4. Determinar altura de columna en el manómetro inclinado en cada una de las mediciones. Para poder obtener estas distintas alturas, se utilizará un "cono de regulación", que se irá moviendo, para obstruir mayor o menor cantidad de aire. 5. En cada punto, registrar la presión estática, que se obtiene a través de un manómetro diferencial y la presión dinámica, obtenida desde el manómetro inclinado. 6. Registrar la intensidad eléctrica. Gracias a los datos del diámetro de las tuberías y el voltaje entregado por la red eléctrica que son conocidos, y también los obtenidos en la experiencia es que se podrá a determinar tanto la presión total del sistema (Pt), el caudal (Q), la potencia eléctrica (We), la potencia dinámica (Ws) y el rendimiento (Ns), con lo cual se podrá obtener la curva de potencia, rendimiento y la curva del ventilador.

5. PRESENTACIÓN DE DATOS Esta consta de hacer medidas a un ventilador axial . Los datos obtenidos se presentarán en forma separada, debido a que se presentan cambios en ellas: 

Ventilador axial  Diámetro tubería: 0.242 m 2  Área tubería: 0.046 m 3  Densidad del aire: 1.29 kg/m  Voltaje de la red: 220 V 3  Densidad del alcohol: 800 kg/m  Viscosidad dinámica creo: 1.825E-05 kg/ms

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UNIVERSIDAD DE SANTIAGO DE CHILE FACULTAD DE INGENIERÍA DEPARTAMENTO DE INGENIERÍA EN MINAS LABORATORIO DE VENTILACIÓN EN MINAS Ya con los datos conocidos es que se procedió a desarrollar la experiencia y determinar los parámetros requeridos para realizar las curvas de rendimiento, potencia y curva característica del ventilador. Se procedió a los cálculos y análisis, para así obtener la curva característica del ventilador axial, la metodología ocupada se representa en la siguiente imagen.

Imagen N°1: Metodología de trabajo.

6. DESARROLLO Y RESULTADOS Ya con los datos conocidos y la metodología del trabajo a realizar clara, es que se llega a determinar los parámetros para poder conseguir las curvas de los ventiladores. El desarrollo de la experiencia consistió en la obtención de la presión estática y la intensidad de corriente y llegar a la determinación de la presión total, caudal, potencia eléctrica, potencia hidráulica y el rendimiento de los ventiladores. Una vez instalados los instrumentos de medición, se enciende el ventilador y se empiezan a tomar las mediciones necesarias y mencionadas anteriormente para así llegar a la presión dinámica calculada y obtener la presión estática. Los datos y cálculos obtenidos se encuentran en los anexos del presente informe. A continuación se presentan los resultados y gráficas obtenidas para ambos ventiladores.

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UNIVERSIDAD DE SANTIAGO DE CHILE FACULTAD DE INGENIERÍA DEPARTAMENTO DE INGENIERÍA EN MINAS LABORATORIO DE VENTILACIÓN EN MINAS Ventilador Axial 

Tabla de cálculos obtenidos.

Medición Pt (Pa) Q(m3/s)

Re

flujo

Volt (V) I (A) We (kW)

Ws (kW) Ns(%)

1

294.30

0.00

0

-

220

1.6

0.352

0.00

0.00

2

252.12

0.11

38523.99

turbulento

220

1.6

0.352

0.03

8.04

3

245.25

0.14

48154.67

turbulento

220

2.9

0.638

0.03

5.40

4

196.20

0.19

64204.55

turbulento

220

2.7

0.594

0.04

6.18

5

220.53

0.28

96309.98

turbulento

220

2.9

0.638

0.06

9.70

6

174.62

0.56 192619.96 turbulento 220 4.1 0.902 Tabla N°1: Resultados obtenidos en ventilador axial.

0.10

10.87



Gráfica del ventilador.

Curva característica del ventilador 350.00 300.00 250.00 ) a P200.00 ( n o i s e r150.00 P

100.00 50.00 0.00 0.00

0.10

0.20

0.30

0.40

0.50

0.60

caudal (m3/s)

presion dinamica

presion estatica

presion total

Gráfica 1: Curvas ventilador axial, Presión (Pa) v/s Caudal (m³/s)- Curva azul: Presión dinámica; Curva roja: Presión estática; Curva verde: Presión total.

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UNIVERSIDAD DE SANTIAGO DE CHILE FACULTAD DE INGENIERÍA DEPARTAMENTO DE INGENIERÍA EN MINAS LABORATORIO DE VENTILACIÓN EN MINAS La curva representativa de un ventilador puede ser representada por medio de los caudales en función de la presión que se le exija girando a una determinada velocidad. En el gráfico 1 se presenta diversas presiones para hacer circular un caudal a través del conducto. Se puede observar que la intersección de las curvas determina los diferentes puntos de trabajo del ventilador axial. En general son capaces de trabajar a elevadas presiones con caudales más bien bajos. La curva experimental obtenida concuerda con la curva teórica característica de cualquier ventilador de este tipo (Ver anexo, gráfica 4). La particularidad de la curva característica de un ventilador axial es que existe una inclinación distinta donde disminuye la presión (entre 0,14-0,28 m 3/s). Esto se conoce como “atascamiento”, y proviene del desprendimiento de corrientes de aire desde la

superficie de la aspa produciendo una turbulencia y con ello se reduce la habilidad de la superficie de superación para producir presión. En este caso el tramo de efecto es corto no siendo grave, ni produciendo problemas para el ventilador. En general mientras mayor sea el ángulo de aspa del ventilador (ángulo formado por la dirección del aire con la cuerda de la aspa) más grave será el efecto de atascamiento, es por esto que sólo se debe considerar solo la porción posterior a la zona de atascamiento. Esta es conocida como la zona de funcionamiento que depende del tipo, tamaño del ventilador y fuera de esta zona pueden producirse fenómenos desproporcionados en cuanto flujo, ruido, etc. La curva característica del ventilador está bien realizada, esto es verificable, con las acciones generadas en el laboratorio donde en el instante de Q: 0 m 3/s se tiene que la tubería se encuentra cerrada, por ende la presión que caracteriza al sistema presión estática es máxima y la dinámica es igual a cero (mínima). Por otro lado cuando la tubería se encuentra totalmente abierta (sin oposición) encontramos el otro caso donde la presión estática es cero (no hay presión ejerciendo hacia las paredes) y la dinámica es máxima. En cuanto al rendimiento encontrado no son los más representativos debido que no poseen un comportamiento normal, ya que su eficiencia máxima es 10.87% valor que refleja una anomalía importante para efectos de valores reales que deberían obtenerse, además se observa una disminución de la eficiencia entre (0.14-0.25m3/s) esto se emplazaría en la zona de atascamiento anteriormente mencionada. Esto puedo deberse a errores aleatorios al momento de medición como posicionamiento del cono regulador o no correcta lectura del manómetro, entre otros, que puedan explicar esta baja en la eficiencia.

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7. CONCLUSIONES Y RECOMENDACIONES Se cumplió el objetivo de esta experiencia, en donde se obtuvo la curva característica de un ventilador axial representado en la gráfica 1, caracterizándolo a través de su caudal y presiones (dinámica, estática y total). Se obtuvo la curva característica de un ventilador axial representado en la gráfica 1.De acuerdo a ello se observó y determino claramente el punto de trabajo optimo del ventilador a partir de un caudal de 0.28 m 3/s. ya que, al someter el ventilador a un requerimiento menor, se incurrirá a trabajar en la zona de atascamiento para un caudal menor a 0,28 m 3/s., lo cual ocasionaría un daño grave en el ventilador, al entrar en fatiga. Dicho momento se denomina como pérdida o estado de "zafarrancho“.

Para cumplir con el objetivo anteriormente mencionado se realizaron varios cálculos con los cuales se determinó la potencia de alimentación e hidráulica en cada punto estudiado, representado en la gráfica 2,3 (Ver anexos), obteniendo la eficiencia total para cada punto de la potencia. Con esto se encontró una zona de eficiencia mínima que corresponde a la zona de atascamiento. La máxima eficiencia se obtuvo en el caudal máximo siendo de 10,87%. Se determinó un tipo de flujo turbulento en todo el experimento mediante número de Reynolds. Con los anteriores resultados es posible concluir que al aumentar la obstrucción del paso del aire, el caudal disminuye, llegando a cero si esta obstrucción es total. Además se determinó la curva característica experimental obteniendo el mismo comportamiento que una curva teórica de un ventilador axial. Se recomienda mejorar la ejecución del ensayo para así generar un aumento de la eficiencia o evitar la zona de atascamiento de la curva del ventilador. También se recomienda complementar el estudio con otro ventilador para así generar una comparación entre sus curvas características y de esta forma determinar para el tipo de trabajo requerido, el tipo de ventilador más adecuado en rendimiento.

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8. Bibliografía Hurtado, J. P. (2015). Guía de Laboratorio N°2: Curva de Ventiladores. Hurtado, J. P. (2015). Servicios Generales Mina, Ventiladores.

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9. ANEXOS Memoria de cálculos



ó =  ∗  ∗ℎ

Donde: - g= 9.81 m/s 2 - = densidad alcohol 800 kg/m 3 - h= altura de columna mmH 2O





ó   = √ 2∗  

Donde: - = 800 kg/m 3

Donde: - Pt= presión total (Pa) - Ps= presión estatica (Pa) - Pv= presión dinámica (Pa)

Donde: -Q= caudal (m 3/s) -V= velocidad flujo (m/s) -A= área tubería (m 2)

 =  +  =  ∗  =  ∗  ∗

Donde: -R= número de Reynolds -V= velocidad flujo (m/s) - = densidad aire 1.29 kg/m 3 -D= diámetro tubería (m) - = viscosidad dinámica= 1.825E-05 kg/ms

 

 =  ∗ 

Donde:- We= potencia eléctrica (Watts) -Volt= voltaje de la red eléctrica (V) -Amp= intensidad eléctrica (A)

 =  ∗ 

Donde: - Ws= potencia hidráulica (Watts) - Q= caudal (m 3/s) - Pt= presión total (Pa)

Donde: - Ns= eficiencia total ventilador. 

 = 

Tablas y gráficas  Tabla 2: Ventilador axial presiones y velocidad Medición

Pv (Pa)

Ps (Pa)

V(m/s)

1

0.00

294.30

0.000

2

6.87

245.25

2.441

3

9.81

235.44

3.052

4

19.62

176.58

4.069

5

43.95

176.58

6.103

6

174.62

0.00

12.207

1

12.00

0.9 10.00

0.8 0.7

) W0.6 k ( a i c 0.5 n e t 0.4 o P

8.00 6.00 4.00

0.3 0.2

% o t n e i m i d n e r

2.00

0.1 0

0.00 0.00

0.10

0.20

0.30

0.40

0.50

0.60

caudal (m3/s)

We (kW)

rendimiento

Gráfica 2: Curvas ventilador axial, Potencia de alimentación (kW) v/s Caudal (m³/s)

0.12

12.00

0.10

10.00

) 0.08 W k ( a i c 0.06 n e t o p

8.00

0.04

4.00

0.02

2.00

6.00

0.00

% o t n e i m i d n e r

0.00 0.00

0.10

0.20

0.30

0.40

0.50

0.60

caudal (m3/s)

potencia hidraulica

rendimiento

Gráfica 3: Curvas ventilador axial, Potencia de hidráulica (kW) v/s Caudal (m³/s)

Gráfica 4: Curvas teóricas ventilador axial, Presión(Pa) v/s Caudal (m³/s)

Medida de la curva característica de un ventilador axial

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