UNIVERSIDAD NACIONAL DEL CALLAOPgina2

FACULTAD DE INGENIERIA MECANICA-ENERGIAUNIVERSIDAD NACIONAL DEL CALLAOFACULTAD DE INGENIERIA MECANICA-ENERGIA

DISEO DE UN VENTILADOR CENTRFUGO

CURSO: MAQUINAS HIDRAULICASPROFESOR: ING.HERNAN PINTO ESPINOZAGRUPO: INTEGRANTES: HUAMANI SAUCEDO LUIS ALBERTO PALOMINO ALIAGA PIERO HUAMANI QUISPE EDERSON MARCOS ZORRILLA ROGER

BELLAVISTA-CALLAO2014

INTRODUCCIONAspectos generales de las Turbo-mquinasEn casi a totalidad de los procesos industriales de conversin de energa, un fluido esta siempre en juego, cediendo o tomando energa de un sistema mecnico. Conocer las mquinas capaces de realizar esta conversin, es saber cmo se puede disponer de las fuentes energticas naturales y como se puede manejar en sus diversas aplicaciones.As tendremos bombas que se utilizan para cambiar la posicin de un cierto fluido. Un ejemplo lo constituye una bomba de pozo profundo, que adiciona energa para que el agua del subsuelo salga a la superficie.Un ejemplo de bombas que adicionan energa de presin sera una bomba en un oleoducto, en donde las cotas de altura, as como los dimetros de tuberas y consecuentemente las velocidades fuesen iguales, en tanto que la presin es incrementada para poder vencer las prdidas de friccin que se tuviesen en la conduccin.Existen bombas trabajando con presiones y alturas iguales que nicamente adicionan energa de velocidad. Lo inverso a lo que sucede en una bomba se tiene en una maquina llamada comnmente turbina, la cual transforma la energa de un fluido, en sus diferentes componentes citadas, en energa mecnica.Normalmente un generador hidrulico (bomba) es accionado por un motor elctrico, trmico, etc., mientras que un motor hidrulico (turbina) acciona un generador elctrico.

Bomba Centrfuga. Rodete de una Turbina Francis.

INDICE Introduccin.....................................................................................................................2 Marco Terico.................................................................................................................. 4 Clculo de la densidad del aire................................................................................. 7 Clculo del Haire .............................................................................................................. 7 Clculo de la Potencia al eje....................................................................................... 7 Seleccin del Motor Trifsico .....................................................................................8 Obtencin de ................................................................................................................... 8 Clculo de U2 .................................................................................................................... 8 Clculo del dimetro exterior del rotor D2: ..............................................................9 Clculo de la cifra de Caudal ()................................................................................... 9 Determinamos el dimetro interior del rotor D1 ................................................ 9 Determinamos el nmero de labes ......................................................................... 9 Espesor del labe.............................................................................................................. 10 Calculamos los pasos entre labes ........................................................................... 10 Calculamos el coeficiente de correccin por espesor (finito)....................... 10 Clculo de .......................................................................................................................11 Clculo de C1 ....................................................................................................................... 11 Clculo de w1 ...................................................................................................................... 11 Clculo de .....................................................................................................................12 Clculo de ...................................................................................................................... 12 Clculo de ...................................................................................................................... 12 Clculo de ....................................................................................................................... 12 Clculo de b1 y b2 ............................................................................................................ 12 Clculo de Cm0 .................................................................................................................... 13 Clculo de Cm3 ..................................................................................................................... 13 Clculo del ancho del labe a la entrada ............................................................ 14 Clculo del ancho del labe a la salida ............................................................... 14 Clculo del coeficiente de resbalamiento ............................................................14 Clculo de la altura til del ventilador.................................................................15 Clculo el resbalamiento CU .......................................................................................16 Clculo del Grado de Reaccin ideal (R)............................................................ ..16 Clculo del Grado de Reaccin Realista ().......................................................... 16 Diseo del labe........................................................................................................... 17 Diseo de la carcasa................................................................................................... 18 Bibliografa.................................................................................................................... 20 Anexos: - Tabla de Motores Elctricos Trifsicos (DELCROSA)...................21 - Planos............................................................................................................. 22 MARCO TEORICOTurbo-mquinas Las Turbo-mquinas son mquinas rotativas que permiten una transferencia de energtica entre un fluido y un rotor provisto de labes o paletas, mientras el fluido pasa a travs de ellos. La transferencia de energa tiene su origen en un gradiente de presin dinmica que se produce entre la salida y la entrada del fluido en el rotor, por lo que tambin se denomina a estas mquinas de presin dinmica. Si la transferencia de energa se efecta de mquina a fluido se le da el nombre genrico de bomba; si por el contrario el fluido cede energa al rotor se llama turbina. En la primera denominacin figuran no slo las mquinas conocidas comercialmente como bombas, cuyo fluido de trabajo es el agua, sino tambin toda Turbo-mquina que sirve para imprimir energa a un fluido, como compresores, abanicos, sopladores, etc., ya sean de tipo axial o radial y trabajando con cualquier clase de fluido.La Bomba Centrfuga La bomba centrfuga, lo mismo que cualquier otra bomba, sirve para producir una ganancia en carga esttica en un fluido. Imprime pues, una energa a un fluido procedente de una energa mecnica que se ha puesto en su eje por medio de un motor.La bomba centrfuga es una Turbo-mquina de tipo radial con flujo de dentro hacia afuera, presentando por lo general un rea de paso de agua relativamente reducida en relacin con el dimetro del rotor o impulsor, con objeto de obligar al fluido a hacer un recorrido radial largo y aumentar la accin centrifuga-lo que justifica su nombre-, a fin de incrementar la carga esttica, que es lo que generalmente se pretende con este tipo de bomba, aunque el gasto en parte se sacrifique. Todo esto significa que la velocidad especfica tendr valores relativamente bajos o medios. Ecuacin de Euler: El trabajo hecho por los labes sobre el fluido(o viceversa) o expresin de la energa transferida entre labes y fluido, por unidad de masa de fluido, ser:

E= (U2.CU2 U1.CU1)/g; la cul es conocida como ecuacin de Euler, tiene su origen en el cambio que sufren las velocidades tangenciales del fluido y del alabe entre la entrada y la salida del rotor. Esta ecuacin sirve para cualquier fluido, compresible o incompresible.

E= (U2.CU2 U1.CU1) /g, para mquinas receptoras (bombas).

E= (U1.CU1 U2.CU2) /g, para mquinas motrices (turbinas).

E expresa la energa o trabajo, por unidad de masa, que se tiene en la flecha como consecuencia de la cesin energtica hecha por el fluido. Si la energa se expresa por unidad de peso, la E representa unidades de longitud, siendo entonces sustituida la letra E por la H, representativa de la carga total que acta sobre la mquina. En este caso la ecuacin de Euler tiene la forma:

H= (U2.CU2 U1.CU1) /g (BOMBAS)

H= (U2.CU2 U1.CU1) /g (TURBINAS), que es la ms usual en las Turbo-mquinas hidrulicas.

Estas formas de la ecuacin de Euler son tericas. En la realidad existen perdidas de carga por friccin, choques, turbulencia, etc., que se tendrn en cuenta al definir los rendimientos. Grado de Reaccin: Se llama grado de reaccin a la relacin de la carga esttica a la carga total transferida. = Funcionamiento: Se procura ,frecuentemente, que no haya giro del fluido en el momento de la incidencia en los labes ,esto es, que la componente tangencial del fluido CU1 =0,con lo que se mejora la transferencia de energa ,que en la expresin de Euler se reduce a:

= (U2.CU2) /g

Evidentemente, para aumentar la transferencia H, se debe aumentar U2 o CU2 o las dos. Ahora bien como U2 = .R2, para elevar el valor de U2 se debe aumentar la velocidad de giro de la mquina o el radio del impulsor, lo que equivale a incrementar la accin centrfuga, que no cabe duda, es la que tiene mayor influencia en la transferencia energtica en estas bombas. La est limitada por los efectos de cavitacin, correspondiendo los valores a valores de N inferiores a 4000 rpm en trminos generales. Lo ms conveniente es que la velocidad de giro oscile entre 1000 y 2000 rpm.Por otra parte el valor de CU2 desgraciadamente debe ser chico, si se quiere que la bomba tenga buen rendimiento. Esto se justifica ya que el vector CU2 es de magnitud reducida en virtud de que la velocidad absoluta de salida C2 debe der pequea en una bomba, pues lo que se busca es carga esttica y no dinmica. Adems, se debe tener en cuenta que el sentido del vector CU2 debe ser el mismo que el de U2 para no cambiar el sentido de U2.CU2, lo que convertira a una mquina receptora en motora.

Normalmente se hace girar a los impulsores de bombas centrifugas con los labes curvados hacia atrs, con lo que se reduce mucho el valor de la velocidad absoluta de salida C2 y por ende la energa dinmica, mejorando el rendimiento. Pero baja la transferencia, pues CU2 resulta pequea y en consecuencia se reduce el producto U2.CU2 que cuantifica la energa. Es por eso que la bomba centrifuga de buen rendimiento es de baja transferencia energtica.

Condiciones de buen rendimiento: Entre las variables que definen mejor la dinmica del fluido en una bomba centrfuga est sin duda el ngulo del labe a la salida del impulsor, denominado 2. Del valor de este ngulo depende mucho la cantidad y calidad de energas transferida de rotor a fluido, cuantificada la primera por la ecuacion de Euler y calificada la segunda por el grado de reaccin.En una bomba centrifuga se procura que no haya giro del agua en el momento de ataque del fluido al borde del labe a la entrada, esto es, que CU1=0, lo cual se consigue fcilmente haciendo a C1 radial o axial. De esta forma la energa trasferida aumenta y tiene la expresin sencilla: = (U2.CU2) /g.Conviene tambin que CU2 tenga el mismo sentido que U2 para que no cambie el signo del producto U2.CU2 .Otra condicin que facilita los caculos y el diseo es hacer constante el valor de la componente Cm entre la salida y la entrada, o sea que Cm1= Cm2.Ventilador Centrfugo Los Ventiladores son Turbo-mquinas roto-dinmicas equivalentes a las bombas con la particularidad de que transfieren energa a un gas, comnmente aire. Aunque los gases son fcilmente compresibles, las velocidades de paso y los cambios de presin habidos a travs de los ventiladores son lo bastante pequeos como para no afectar significativamente a la densidad, por ende se considera que el flujo es incomprensible. Al igual que las bombas centrifugas, los ventiladores centrfugos cuentan con un rodete que aspira el gas en la direccin axial y lo impulsa radialmente hacia la salida, por la periferia del rodete, donde es recogido por la voluta y finalmente dirigido hacia la salida de la mquina. El principio de funcionamiento de los ventiladores centrfugos es el mismo que el de las bombas centrfugas.

Ventilador Centrfugo de Baja Presin CALCULOS Y DISEODATOS: H=190 mm H2O Q=1.3 m3/s1.- Clculo de la densidad del aire: Consideraciones: Patm. = 100 KPa. Tamb.= 15C Raire= 0.287 KJ/Kg.K aire = = aire =1.21 Kg/m32.- Clculo del Haire: agua .g.Hagua = aire.g.Haire Haire = . Hagua = .190 mmH2O Haire =157 m de aire3.-Asumimos: n=0.764.-Calculamos la Potencia al eje: Peje = Peje = Peje = 3.19 KW. Factor de servicio: Los motores deben contar con un factor de servicio de acuerdo a su tamao y frecuencia de rotacin. Los motores elctricos se deben seleccionar para trabajar en condiciones normales de operacin sin exceder su potencia nominal. De la tabla de DELCROSA: f.s=1.15.P = 1.15 (3.19KW)P = 3.67 KW.5.-Seleccin del Motor Trifsico: Una vez obtenido la Potencia, vamos a la tabla de la marca DELCROSA (ver anexo), y seleccionamos: Motor trifsico 3.7 KW 3470 rpm 2 polos Nq = = Nq = 89.2 rpm (EXCEDE DEL RANGO DE VALORES DE Nq) MOTOR TRIFSICO 3.7 KW 1730 rpm 4 polos Nq = = Nq = 44.47 rpm (ACEPTABLE)

Nq20253035404550

1.11.081.051.010.870.930.9

Tabulando para obtener : =

6.-Clculo de U2: = ; despejando U2:U2 = ( U2 = 57.75 m/s

7.- Clculo del dimetro exterior del rotor D2: U2 = D2 = =D2 = 0.6375 m.8.-Clculo de la cifra de Caudal (): = = =0.0705 9.-Determinamos el dimetro interior del rotor D1: 1.063 , sabemos que: 1 ; por lo tanto asumimos: 1 = 30Luego, reemplazamos datos: 1.063 D1 (1.063) (0.49612) (0.6375)D1 0.3362 m. D1 = 0.340 m10.-Determinamos el nmero de labes:Para ventiladores est dado por: z = k. (.sen ;Donde: = D1/D2 =0.340/0.6375 =8/15=0.5333 2 ; asumimos 2 =42 (de acuerdo a las recomendaciones de buen rendimiento dadas en el marco terico). k , tomamos k=6.5Luego: z = (6.5). (.sen z = 12.553 z = 12 labes.11.- Espesor del labe: Asumimos e=1/8 3.175mmAhora calculamos los espesores perifricos de los alabes: En la entrada: s1 = = s1 =6.35 mm. En la salida: s2 = = s2 = 4.745 mm.

12.-Calculamos los pasos entre labes: t1 = = t1 = 0.089 mm t2 = = t2 = 0.167 mm

13.-Calculamos el coeficiente de correccin por espesor (finito): En la periferia externa del labe: ke = = ke = 1.03 En la periferia interna del labe: ki = = ki = 1.0768

TRINGULO DE VELOCIDADES:

Zona de entrada:Considerando: (de acuerdo a las recomendaciones de buen rendimiento dadas en el marco terico)14.-Calculamos:

15.-Calculamos: C1

16.-Calculamos: w1

Zona de salida:Considerando: (de acuerdo a las recomendaciones de buen rendimiento dadas en el marco terico) (calculado anteriormente)

17.-Calculamos :

18.- Calculamos : = 41.95388

19.-Calculamos : 2520.-Calculamos

21.-Calculamos b1 y b2: Considerando alabes infinitos (z) y despreciando el efecto del espesor del labe (e0): b1 :

b1=70.57 mm.

b2 :

b2 = 37.64 mm.

EFECTO DEL ESPESOR DEL LABE (CORRECCIN POR ESPESOR): Coeficiente de correccin por espesor (finito) en la periferia interna: = = ki 22.-Calculamos Cm0:

Coeficiente de correccin por espesor (finito) en la periferia externa:= = ke 23.-Calculamos Cm3:

CALCULAMOS NUEVAMENTE b1 y b2, (CONSIDERANDO ESTA VEZ EL ESPESOR DEL LABE):24.-Clculo del ancho del labe a la entrada : (Compararemos dichos resultados)Asumimos: (OK)Luego: 25.-Clculo del ancho del labe a la salida : (Compararemos dichos resultados) (OK)Luego:

26.-Clculo del coeficiente de resbalamiento :Para bombas centrifugas radiales y velocidad especfica no demasiada alta se usa a menudo el llamado coeficiente de Pfleiderer: Donde: S: Momento esttico del filete medio meridiano AB, respecto al eje:S= = =S =S= 0.03635 : Este coeficiente se designaba anteriormente por, pero en la actualidad este smbolo ha sido normalizado para representar al coeficiente de presin . ,segn PFLEIDERER:a.- = 0.6 (1+sen 2), si D1/D2 1/2.b.- = 1.2 (D1/D2) (1+sen 2), si D1/D2 1/2. Ya que en nuestro caso D1/D2 = 0.340/0.6375 =0.5333 > ; usamos la frmula b. = 1.2 (0.5333) (1+sen 42) = 1.06824Reemplazando datos: = 0.81327.-Clculo de la altura til del ventilador:

Dnde: . Segn Wislicenuz, el rendimiento hidrulico puede obtenerse aproximado de la expresin emprica siguiente: En la que k representa una constante con valor aproximado de 2/3 para mquinas de velocidad especifica media y baja; adems . Luego: (223.7)

EFECTO DE VORTICE RELATIVO O DE RESBALAMIENTO:28.-Clculo el resbalamiento CU:El resbalamiento en m/s es: CU = C2U C3UDonde: = Luego:CU = C2U .C2UCU = 38 (38)CU = 7.1 m/s

29.- Clculo del Grado de Reaccin ideal (R): R = 1- (Debido a que hemos considerado y ) R = 1- R = 0.67

30.-Clculo del Grado de Reaccin Realista (): = 1- = 1- = 1- = 0.73

DISEO DEL ALABE:Datos:

labes en 3D (Autocad) labes en 2D(Autocad)

Completamos la siguiente tabla para poder realizar el trazado del perfil del labe:r

10.170300.577310.1885000

20.186531.330.60878.80840.15760.15769

30.203132.670.64127.67830.13680.294516.87

40.2196340.67456.75120.11900.413523.7

50.236135.330.70885.97530.10500.518529.71

60.252636.660.74435.31890.09310.611735.05

70.2692380.78124.75460.08360.695339.84

80.285739.330.81944.27180.07450.769744.10

90.302240.660.85893.85260.06700.836847.95

100.31875420.93.48430.06070.897551.43

Esquemas:

Trazado del labe en 2D (AUTOCAD 2013) Diseo del labe en 3D (AUTOCAD 2013) Z= 12 LABES

DISEO DE LA CARCASA

Donde: Se recomienda: 90 =(0.9-1.0)D2Luego:

Completamos la siguiente tabla para realizar el trazado de la carcasa:r

100.31875

2300.3404

3600.3635

4900.3882

51200.41456

61500.44271

71800.47278

82100.50488

92400.53917

102700.57579

113000.61489

123300.65665

133600.70125

Esquema Trazado de la espiral (AUTOCAD 2013) Diseo de la carcasa en 3D (AUTOCAD 2013)

BIBLIOGRAFIA BOMBAS: teora, diseo y aplicaciones.Manuel Viejo Zubicaray.

Turbomquinas Hidrulicas (Principios Fundamentales) Ing. Manuel Polo Encinas.

Turbomquinas Hidrulicas. C. Mataix

TABLA DE MOTORES ELECTRICOS TRIFASICOS (DELCROSA):DISEO DE UN VENTILADOR CENTRFUGO