Universidad de oriente

Núcleo de Anzoátegui

Escuela de Ing. ciencias aplicadas

Departamento de mecánica

Mec. de los fluidos y maquinas hidráulicas

Asignación I

Bachilleres:

Rivas Karla

CI: 20054293

Ramos Yonniel

CI: 19909883

Ventiladores

Un ventilador es una máquina rotativa que pone el aire, o un gas, en movimiento. Se puede definir también como una turbomáquina que transmite energía para generar la presión necesaria para mantener un flujo continuo de aire.

    Dentro de una clasificación general de máquinas,  los ventiladores son turbomáquinas hidráulicas, tipo generador, para gases.

    Un ventilador consta en esencia de un motor de accionamiento, generalmente eléctrico, con los dispositivos de control propios de los mismos: arranque, regulación de velocidad, conmutación de polaridad, etc. y un propulsor giratorio en contacto con el aire, al que le transmite energía. Este propulsor adopta la forma de rodete con álabes, en el caso del tipo centrífugo, o de una hélice con palas de silueta y en número diverso, en el caso de los axiales.

   El conjunto, o por lo menos el rodete o la hélice, van envueltos por una caja con paredes de cierre en forma de espiral para los centrífugos y por un marco plano o una envoltura tubular en los axiales. La envolvente tubular puede llevar una reja radial de álabes fijos a la entrada o salida de la hélice, llamada directriz, que guía el aire, para aumentar la presión y el rendimiento del aparato.

VENTILADORES CENTRÍFUGOS. En los ventiladores centrífugos la trayectoria del fluido sigue la dirección del eje del rodete a la entrada y perpendicular al mismo a la salida. Si el aire a la salida se recoge perimetralmente en una voluta, entonces se dice que el ventilador es de voluta.

    Estos ventiladores tienen tres tipos básicos de rodetes:

1. Álabes curvados hacia adelante.2. Álabes rectos.3. Álabes inclinados hacia atrás / curvados hacia atrás.

   

En la figura  puede observarse la disposición de los álabes.

VENTILADORES CENTRÍFUGOS DE ÁLABES CURVADOS HACIA ADELANTE, RADIALES Y ATRÁS

 Los ventiladores de álabes curvados hacia adelante (también se llaman de jaula de ardilla) tienen una hélice o rodete con  álabes curvadas en el mismo sentido del giro. Estos ventiladores necesitan poco espacio, poseen baja velocidad periférica y son silenciosos. Se utilizan cuando la presión estática necesaria es de baja a media, tal como la que se encuentran en los sistemas de calefacción, aire acondicionado o renovación de aire, etc. No es recomendable utilizar este tipo de ventilador con aire polvoriento, ya que las partículas se adhieren a los pequeños álabes curvados y pueden provocar el desequilibrado del rodete.

   Estos ventiladores tienen un rendimiento bajo fuera del punto de proyecto. Además, como su característica de potencia absorbida crece rápidamente con el caudal, ha de tenerse mucho cuidado con el cálculo de la presión necesaria en la instalación para no sobrecargarlo. En general, son bastante inestables funcionando en paralelo, vista su característica caudal-presión. En la figura  pueden observarse las partes mencionadas.

 VENTILADORES CENTRÍFUGOS CON ÁLABES CURVADOS.

Los ventiladores centrífugos radiales tienen el rodete con los álabes dispuestos en forma radial. La carcasa está diseñada de forma que a la entrada y a la salida se alcancen velocidades de transporte de materiales. Existen una gran variedad de diseños de rodetes que van desde los de "alta eficacia con poco material" hasta los de "alta resistencia a impacto". La disposición radial de los álabes evita la acumulación de materiales sobre las mismas. Este tipo de ventilador es el comúnmente utilizado en las instalaciones de extracción localizada en las que el aire contaminado con partículas debe circular a través del ventilador. En este tipo de ventiladores la velocidad periférica es media y se utiliza en muchos sistemas de extracción localizada.

   Los ventiladores centrífugos de álabes curvados hacia atrás tienen un rodete con los álabes inclinados en sentido contrario al de rotación. Este tipo de ventilador es el de mayor velocidad periférica y mayor rendimiento con un nivel sonoro relativamente bajo y una característica de consumo de energía del tipo "no sobrecargable".

   En un ventilador "no sobrecargable", el consumo máximo de energía se produce en un punto próximo al de rendimiento óptimo de forma que cualquier cambio a partir de este punto debido a cambios de la resistencia del sistema resultará en un consumo de energía menor. La forma de los álabes condiciona la acumulación de materiales sobre ellas, de forma que el uso de estos ventiladores debe limitarse como se indica a continuación:

1. ÁLABES DE ESPESOR UNIFORME. Los álabes macizos permiten el trabajo con aire ligeramente sucio o húmedo. No debe emplearse con aire conteniendo materiales sólidos ya que tienen tendencia a acumularse en la parte posterior de los alabes.

2. LOS ÁLABES DE ALA PORTANTE. Permiten mayores rendimientos y una operación más silenciosa. Los álabes huecos se erosionan rápidamente y se pueden llenar de líquido si la humedad es alta, por ello su uso queda limitado a aplicaciones en las que se manipule aire limpio.

LEYES DE LOS VENTILADORES. Si un ventilador debe funcionar en condiciones diferentes de las ensayadas, no es práctico ni económico efectuar nuevos ensayos para determinar sus parámetros de funcionamiento.

    Mediante el uso de un conjunto de ecuaciones conocidas como LEYES DE LOS VENTILADORES es posible determinar, con buena precisión, los nuevos parámetros de funcionamiento a partir de los ensayos efectuados en condiciones  normalizadas. Al mismo tiempo, estas leyes permiten determinar los parámetros de una serie de ventiladores geométricamente semejantes a partir de las características del ventilador ensayado. Las leyes de los ventiladores están indicadas, bajo forma de relación de magnitudes, en ecuaciones que se basan en la teoría de la mecánica de fluidos y su exactitud es suficiente para la mayoría de las aplicaciones, siempre que el diferencial de presión sea inferior a 3 kPa, por encima del cual se debe tener en cuenta la compresibilidad del gas.

   Con el ánimo de precisar un tanto más lo que expone la norma UNE, se puede decir que cuando un mismo ventilador se somete a regímenes distintos de marcha o bien se varían las condiciones del fluido, pueden calcularse por anticipado los resultados que se obtendrán a partir de los conocidos, por medio de unas leyes o relaciones sencillas que también son de aplicación cuando se trata de una serie de ventiladores homólogos, esto es, de dimensiones y características semejantes que se mantienen al variar el tamaño al pasar de unos de ellos a cualquier otro de su misma familia.

   Estas leyes se basan en el hecho que dos ventiladores de una serie homóloga tienen homólogas sus curvas características y para puntos de trabajo semejantes tienen el mismo rendimiento, manteniéndose entonces interrelacionadas todas las razones de las demás variables.

   Las variables que involucran las leyes de ventiladores son: la velocidad de rotación, el diámetro de la hélice o rodete, las presiones totales estática y dinámica, el caudal, la densidad del gas, la potencia absorbida, el rendimiento y el nivel sonoro.

    Las leyes anteriores son generales, pero implican riesgo si son mal interpretadas. Un ventilador así calculado debe tener el mismo punto de capacidad que un ventilador conocido. Cuando existan dudas será mejor recalcular el ventilador y no pretender olvidar las leyes que rigen su comportamiento.

VENTILADORES AXIALES. Existen tres tipos básicos de ventiladores axiales: Helicoidales, tubulares y tubulares con directrices.

    Los ventiladores helicoidales se emplean para mover aire con poca pérdida de carga, y su aplicación más común es la ventilación general. Se construyen con dos tipos de álabes: álabes de disco para ventiladores sin ningún conducto y álabes estrechos para ventiladores que deban vencer resistencias bajas (menos de 25 mmcda). Sus prestaciones están muy influenciadas por la resistencia al flujo del aire y un pequeño incremento de la presión provoca una reducción importante del caudal.

    Los ventiladores tubulares disponen de una hélice de álabes estrechos de sección constante o con perfil aerodinámico (ala portante) montada en una carcasa cilíndrica. generalmente no disponen de ningún mecanismo para enderezar el flujo de aire. Los ventiladores tubulares pueden mover aire venciendo resistencias moderadas (menos de 50 mmcda).

    Los ventiladores tubulares con directrices tienen una hélice de álabes con perfil aerodinámico (ala portante) montado en una carcasa cilíndrica que normalmente dispone de aletas enderezadoras del flujo de aire en el lado de impulsión de la hélice. En comparación con los otros tipos de ventiladores axiales, éstos tienen un rendimiento superior y pueden desarrollar presiones superiores (hasta 200 mmcda). Están limitados a los casos en los que se trabaja con aire limpio.

    Las directrices tienen la misión de hacer desaparecer la rotación existente o adquirida por el fluido en la instalación, a la entrada del rodete o tras su paso por el mismo. Estas directrices pueden colocarse a la entrada o a la salida del rodete, incluso las hay móviles. Han de ser calculadas adecuadamente pues, aunque mejoran las características del flujo del aire haciendo que el ventilador trabaje en mejores condiciones, producen una pérdida de presión adicional que puede condicionar el resto de la instalación. Además, pueden ser contraproducentes ante cambios importantes del caudal de diseño.   

 

VENTILADORES ESPECIALES.

Entre ellos:    

1. Ventiladores centrífugos de flujo axial: Constan de un rodete con alabes inclinados hacia atrás montado en una carcasa especial que permite una instalación como si se tratara de un tramo recto de conducto. Las características son similares a las de un ventilador centrífugo normal con el mismo tipo de rodete. Los requisitos de espacio son similares a los de un ventilador axial de tipo tubular.

FIG. 2 VENTILADOR CENTRÍFUGO FLUJO AXIAL

1. Extractores de techo: Son equipos compactos que pueden ser de tipo axial o centrífugo. En este caso no se utiliza una voluta, sino que la descarga del aire a la atmósfera se produce en todo el perímetro de la rueda. Estos equipos se pueden suministrar con deflectores que conducen el aire de salida hacia arriba o hacia abajo.

FIG. 3 VENTILADORES AXIALES CLASIFICADOS EN FUNCIÓN DE SU USO.

FIG. 4 EFECTO DE LAS DIRECTRICES SOBRE LAS LÍNEAS DE CORRIENTE  A LA ENTRADA Y SALIDA DEL RODETE AXIAL

     El complejo campo que presenta la industria moderna exige que la selección, aplicación y pruebas que se realicen en los ventiladores sean tomadas con la mayor precisión, de acuerdo con las necesidades que tengan.

    Mediante la realización de la práctica del ventilador axial, el estudiante debe familiarizarse con otra prueba experimental de máquinas hidráulicas, en la cual se presenta análisis diferentes a las prácticas anteriores, donde se debe tener muy presente los conocimientos adquiridos en el estudio de la mecánica de fluidos.

    Los ventiladores axiales son aplicados en situaciones donde esencialmente se pretenda aumentar la velocidad de un fluido, como sistemas de extracción, ventilación en minas y en muchos procesos industriales.

Fluido Dinámica para Ventiladores.

Fluidodinámica es una sub-disciplina de la mecánica de los fluidos (entiéndase por fluidos tanto líquidos como gases). La fluidodinámica se ramifica en otras disciplinas como lo son: la aerodinámica y la hidrodinámica. La mecánica de fluidos tiene un gran rango de aplicaciones,   incluyendo   el   cálculo   de   las fuerzasy   los momentos que   ocasionan   el movimiento   de   los   fluidos   en   problemas   desde   los   más   cotidianos   hasta   los   más complejos. La palabra fluido incluye al agua, al aire, a las suspensiones (que es la forma como   se   presentan   algunos   medicamentos),   y   también   al   petróleo   y   sus derivados. Asimismo,   la   palabra dinámicaincluye   el   movimiento   junto   a   las   fuerzas causantes del mismo.[]

El estudio de la dinámica de los fluidos ofrece una estructura sistemática para su estudio   basándose   en   leyes empíricas y   semi-empíricas.   Estas   leyes   envuelven propiedades   de   los   fluidos   como   lo   son   : temperatura, presión, densidad y velocidad y también funciones de espacio y tiempo.

Objetivos

Los objetivos del estudio de la fluidodinámica dependen del problema en concreto que se necesite resolver. Por ejemplo, cuando se analiza el flujo que ocurre al recubrir el papel, uno de los objetivos puede ser el de determinar las condiciones en las cuales el espesor de la película de recubrimiento que se ha formado es uniforme. También en la recuperación de petróleo, un problema puede ser la predicción de barriles de petróleo que pueden ser extraídos de un yacimiento. El estudio de los fluidos es muy extenso y es por ellos que ramas como la fluidodinámica tiene razón de ser.

 

Ecuaciones de la Fluidodinámica

Los   principales   axiomas   de   la   fluidodinámica   son:   las leyes   de   conservación, específicamente, ley de la conservación de la masa, ley de la conservación del momento lineal (también conocida como segunda ley de Newton) y la ley de la conservación de la energía (también   conocida   como primera   ley   de   la   termodinámica).   Todas   ellas   son basadas en la mecánica clásica y fueron transformadas a la mecánica cuántica además se expresan según los Teoremas de transporte de Reynolds

En   la   fluidodinámica   se   supone   que   los   fluidos   obedecen   a   la   hipótesis   de continuidad a pesar de que los fluidos están compuestos por moléculas que chocan entre si  y  con objetos sólidos.  Por consiguiente,   las  propiedades como la densidad,  presión, temperatura   y   velocidad   son   vistas   como   propiedades   que   contienen   puntos infinitesimalmente pequeños que varían de un punto a otro. De esta forma el hecho de que los fluidos estén conformados por moléculas discretas, se ignora.

Terminología de la fluidodinámica

El  concepto de presión es  esencial  en el  estudio de  la  fluidodinámica,   tanto en la estática como en la dinámica.  La presión puede ser conocida en cualquier punto del fluido, independientemente si el fluido se encuentra en movimiento o no. Para medir la presión pueden utilizarse: columnas de mercurio, el tubo deBourdon, placas de orificio, así como muchos otros métodos.

 

Turbinas

CLASIFICACIÓN DE LAS TURBINAS HIDRÁULICAS.

 Son diversas las razones de tipo técnico que dan base para establecer una clasificación de las turbinas hidráulicas. Razones que, en la mayoría de los casos, se complementan entre sí, para definir e identificar ampliamente a un determinado tipo de turbina.

A continuación, se relacionan los argumentos considerados y las clasificaciones derivadas de los mismos, explicándose oportunamente los conceptos que proceda, ya que algunos de ellos han quedado suficientemente expuestos en apartados anteriores, y otros son de fácil comprensión en función de su propio enunciado.

- Por el número de revoluciones específicas:

-          Turbinas LENTAS.

-          Turbinas NORMALES.

-          Turbinas RÁPIDAS.

-          Turbinas EXTRARRÁPIDAS.

- Según la posición del eje:

-          Turbinas HORIZONTALES.

-          Turbinas VERTICALES.

- Por el modo de admisión del agua:

-          Turbinas de ADMISIÓN PARCIAL. Ver turbinas Pelton.

-          Turbinas de ADMISIÓN TOTAL. Ver turbinas Francis y Kaplan.

- Por la manera de actuar los chorros o las láminas de agua sobre o a través de las palas, álabes, etc.:

-          Turbinas de ACCIÓN.

-          Turbinas de REACCIÓN.

Por la dirección del agua dentro de la turbina respecto al eje de rotación, o dirección de entrada del agua:

-          Turbinas RADIALES.

-          Turbinas AXIALES.

-          Turbinas RADIALES-AXIALES.

-          Turbinas TANGENCIALES.

- Por las características de la cámara:

-          Turbinas de CÁMARA CERRADA.

-          Turbinas de CÁMARA ABIERTA.

- Por la función desarrollada:

-          Turbinas REVERSIBLES.

-          Turbinas NO REVERSIBLES. Destinadas sólo a producir trabajo mecánico.

En las turbinas de acción el agua sale del distribuidor a la presión atmosférica, y llega al rodete con la misma presión; en estas turbinas, toda la energía potencial del salto se transmite al rodete en forma de energía cinética.En las turbinas de reacción el agua sale del distribuidor con una cierta presión que va disminuyendo a medida que el agua atraviesa los álabes del rodete, de forma que, a la salida, la presión puede ser nula o incluso negativa; en estas turbinas el agua circula a presión en el distribuidor y en el rodete y, por lo tanto, la energía potencial del salto se transforma, una parte, en energía cinética, y la otra, en energía de presión. El difusor o tubo de aspiración, es un conducto por el que desagua el agua, generalmente con ensanchamiento progresivo, recto o acodado, que sale del rodete y la conduce hasta el canal de fuga, permitiendo recuperar parte de la energía cinética a la salida del rodete para lo cual debe ensancharse; si por razones de explotación el rodete está instalado a una cierta altura por encima del canal de fuga, un simple difusor cilíndrico permite su recuperación, que de otra forma se perdería. Si la turbina no posee ubo de aspiración, se la llama de escape libre.En las turbinas de acción, el empuje y la acción del agua, coinciden, mientras que en las turbinas de reacción, el empuje y la acción del agua son opuestos. Este empuje es consecuencia de la diferencia de velocidades entre la entrada y la salida del agua en el rodete, según la proyección de la misma sobre la perpendicular al eje de giro.

Acción reacción

En las axiales, (Kaplan, hélice, Bulbo), el agua entra paralelamente al eje.En las radiales, el agua entra perpendicularmente al eje.En las mixtas se tiene una combinación de las anteriores.En las tangenciales, el agua entra lateral o tangencialmente (Pelton) contra las palas, cangilones o cucharas de la rueda. Atendiendo a la disposición del eje de giro, se pueden clasificar en: Turbinas de eje horizontalTurbinas de eje vertical

Turbina axial turbina radial turbina tangencial

Turbinas de reacción

- Turbina Fourneyron (1833), en la que el rodete se mueve dentro del agua. Es una turbina radial centrífuga, lo que supone un gran diámetro de rodete; en la actualidad no se construye.

Turbina Heuschel-Jonval, axial, y con tubo de aspiración; el rodete es prácticamente inaccesible; en la actualidad no se construye.

- Turbina Francis (1849), es radial centrípeta, con tubo de aspiración; el rodete es de fácil acceso, por lo que es muy práctica. Es fácilmente regulable y funciona a un elevado número de revoluciones; es el tipo más empleado, y se utiliza en saltos variables, desde 0,5 m hasta 180 m; pueden ser, lentas, normales, rápidas y extra rápidas.

Turbina Kaplan (1912), las palas del rodete tienen forma de hélice; se emplea en saltos de pequeña altura, obteniéndose con ella elevados rendimientos, siendo las palas orientables lo que implica paso variable. Si las palas son fijas, se denominan turbinas hélice.

Turbina Fourneyron Turbina Heuschel-Jonval Turbina Francis

Turbinas Kaplan

Turbinas de acción

Estas turbinas se empezaron a utilizar antes que las de reacción; entre ellas se tienen:

Turbina Zuppinger (1846), con rueda tangencial de cucharas

Turbina Pelton, Fig I.8, es tangencial, y la más utilizada para grandes saltos

Turbina Schwamkrug, (1850), radial y centrífuga.

Turbina Girard, (1863), axial, con el rodete fuera del agua; mientras el cauce no subía de nivel, trabajaba como una de acción normal, mientras que si el nivel subía y el rodete quedaba sumergido, trabajaba como una de reacción, aunque no en las mejores condiciones; en la actualidad no se utiliza.

Turbina Michel, o Banki, el agua pasa dos veces por los álabes del rodete, construido en forma de tambor; se utiliza para pequeños y grandes saltos.

Turbina Pelton Turbina Schwamkrug

Turbina Girard

Turbina Michel o Banki

Principio de funcionamiento

Una turbina hidráulica es accionada por el agua en movimiento, una vez que ésta es debidamente encauzada hacia el elemento de turbina denominado distribuidor, el cual, circularmente, distribuye, regula y dirige un caudal de agua que tiende a incidir, con mayor o menor amplitud, hacia el centro del círculo descrito, sobre un rotor o rueda móvil conocida con el nombre de rodete, que, conjuntamente con el eje en el que está montado, ha de estar perfectamente equilibrado dinámica y estáticamente . De lo expuesto se deduce cómo la energía del agua, originalmente la mayoría de los casos en forma de energía potencial de tipo gravitatorio, se convierte en energía cinética al pasar sucesivamente par el distribuidor y el rodete, debido a la diferencia de nivel existente entre la entrada y la salida de a conducción en consecuencia, se provocan cambios en la magnitud y dirección de la velocidad del fluido, lo que hace que se produzcan fuerzas tangenciales en el rodete, generándose así energía mecánica al girar éste. El rendimiento de las instalaciones con turbinas hidráulicas, siempre es elevado, pudiendo llegar desahogadamente al 90 % o más, después de tener en cuenta todas las pérdidas hidráulicas por choque, de caudal, de fricción en el generador, mecánicas, etc. Los problemas de regulación de velocidad son importantes, principalmente a causa de las grandes masas de agua que entran en juego, con sus aceleraciones positivas y negativas, que se transforman en ondas de presión. La continuidad de las columnas de agua transmite a las ondas, produciéndose fuertes choques o golpe de ariete que es necesario evitar o por lo menos controlar.