Ventiladores 3.1 Generalidades Los ventiladores forman parte de las turbomáquinas generatrices y dentro de ellas ocupan un puesto intermedio entre el de los compresores y el de las bombas. Un ventilador es esencialmente una bomba, la única diferencia es que los líquidos son poco compresibles y los gases muy compresibles, lo cual puede afectar fundamentalmente el diseño de la máquina. Sin embargo siempre que el gas no varíe sensiblemente de densidad y por tanto de volumen específico (es decir, siempre que el gas sea prácticamente incompresible) la teoría y funcionamiento de la bomba de gas será idéntica a la de la bomba de líquido. Esto sucede cuando el incremento de presiones, presión a la salida menos presión a la entrada es pequeña. La experiencia confirma confirma que si DP<1000 mmca, el gas prácticamente puede suponerse incompresible, si es mayor, empiezan a sentirse los efectos de la compresibilidad del gas. 3.2 Clasificación a) De acuerdo a la presión total desarrollada Baja presión : menor a 100 mmm.c.a. mmm.c.a. Media presión : Superior a 100 e inferior a 300 mm.c.a. Alta presión presión : Superi Superior or a 300 e inferior inferior a 1000 1000 mm.c.a. mm.c.a. b) Según la dirección del flujo Ventiladores centrífugos: En que la corriente de aire se establece radialmente a través del rodete. - Alabes curvados hacia atrás - Alabes curvados hacia adelante - Alabes radiales Ventiladores Axiales : En que la corriente de aire se establece axialmente a través del rodete. - Ventiladores de hélice - Ventiladores de tubo axial - Ventiladores con aletas directrices 3.2 Características 1.- Ventiladores centrífugos Son los más indicados para fuertes presiones y caudales débiles. Aspiran Aspiran el fluido fluido lateralmente lateralmente a través través de una o varias varias aberturas aberturas y lo expulsan expulsan a una voluta que juega el papel de difusor a) Alabes curvados hacia atrás Usan de 10 a 50 álabes y tienen un amplio rango de aplicación. Presentan gran estabilidad de funcionamiento y mayor rendimiento que los de álabes curvados hacia adelante. Permiten lograr altas presiones. b) Alabes curvados hacia adelante Son conocido como del tipo Sirocco, poseen rotores de diámetros más pequeños y operan a velocidades mayores que los álabes rectos.
Usan de 20 a 64 álabes de poca extensión radial. Pueden manejar grandes volúmenes a velocidad de giro bajas, lo que lo hace silencioso y apropiado para acondicionamiento de aire, en que se requieren bajas presiones. Se utilizan también en túneles de secado. c) Alabes rectos Poseen rotores de diámetros relativamente grande con 5 a 12 álabes radiales. Presentan velocidades bajas y se utilizan para la extracción en especial cuando la corriente lleva algo de partículas y basuras. Apropiado para bajas presiones.
2.- Ventiladores axiales Son utilizados para bajas presiones y grandes caudales. Los álabes pueden ser de láminas de acero y forman perfiles de ala, que son de mayor costo, pero de mejor eficiencia, 80 a 90 %. Son especialmente apropiados para servicio permanente en que el costo de operación es más influyente que el costo inicial, por lo que la eficiencia puede justificar mayores inversiones. 3.- Ventiladores Helicocentrífugos
Una combinación de los anteriores, presentan rendimiento bajos del orden de 20 %.
3.3 Ecuaciones fundamentales En todos los problemas de ingeniería relacionados con ventiladores de aire puede suponerse éste como un gas perfecto, es decir, Pv = RT, done v es el volumen específico del gas, R es la constante del gas, R = Ru/PM Todos los conceptos así como las definiciones y ecuaciones para la altura manométrica, pérdidas, rendimiento y potencias estudiados en el capítulo de bombas centrífugas son validos para los ventiladores.
3.3.1 Triángulo de velocidades Las ecuaciones que se presentan aquí son idénticas a las de las bombas y presentan poca desviación hasta una presión de unos 1000 mm.c.a., dado que hasta esta presión son poco influyentes los efectos de la compresibilidad.
P t =
γ
( u 2 c 2u - u 1 c1u ) g
H t =
Si C1 es perpendicular a U1, entonces:
P t
γ
P t =
Pt: Presión teórica (kg/m2) γ: Peso específico (kg/m3) u: velocidad periférica (m/s) c: velocidad absoluta (m/s)
3.4 Rendimiento y potencias
γ u 2 c 2u g
a) Rendimiento Hidráulico La presión realmente producida difiere de la presión teórica debida a las pérdidas por roce en las paredes y por la turbulencia.
P efectiva = P t * η h η = 0.6 a 0.8 (valores usuales en la práctica) La presió efectiva se le denomina también presión manométrica. b) Rendimiento volumétrico El caudal manejado por los álabes es mayor que el que sale del ventilador a consecuencia del recirculamiento que se produce por los interticios. Esto prmite definir el rendimiento volumétrico como:
= η v
Q efect. Q efect. + Q intert.
c) Potencia recibida por el aire
N aire = P efect.* Q efect.
d) Potencia entregada por el rodete
N rodete = P t ( Q efect. + Q intert. )
e) Rendimiento Mecánico Entre la potencia entregada al eje del vetilador y la potencia disponible en el rodete existe unan diferencia dada por las pérdidas de tipo mecánico. es decir por roce en los rodamientos, sellos, etc.. Se pued expresar como:
η mec. =
N rodete N a
f) Potencia de accionamiento, Na
N a =
P t ( Q efect. + Q intert. ) N rodete = η mec. η mec.
Pero.
Q efect. + Q intert. =
P t =
Q efect. η v
P efect. η h
Luego la potencia de accionamiento será:
N a =
P efect. Qintert. 75 η h η v η mec.
N a =
P efect. Qintert. 75 η total
η(total) = 0.5 a 0.85 P(efect.): kg/m2 Q(efect.): m3/s
3.5 Comportammiento de las presiones Condiciones de funcionamiento Para determinar la altura necesaria de un ventilador podemos considerar los siguientes casos: a) Ventilador de Sobrepresión:
Aspira a presión atmosférica y descarga a una presión mayor.
H =
P 2
γ
2
+
c2 2g
2
C ∆ P = P 2 + γ 2 2g
Ejemplo Un ventilador impulsando bajo una presión efectiva de 60 mm.c.H2O, un caudal de 100 m3/s de aire, el rendimiento global de 70 %, deberá tener una potencia el eje en (hp) de: Datos: P(efectiva) = 60 mm.c.H2O = 60 kg/m2 Q(efectivo) = 100 m3/s η(total) = 0.7 Na = 60 (kg/m2)* 100 (m3/s)/0.7 = 8571.42 (kgm/s) * 9.81 (m/s2) = 84085.7 (W) Na = 84.085 (kW) 1 hp = 0.746 kW
Na = 84.085/0.746 = 112.7 (hp)
b) Ventilador aspirante Aspira a presión estática bajo la atmosférica, a través de ductos, y descarga a presión atmosférica
2
H =
2
c 2 - C 1 P 1 2g γ
2
2
C 2 - C 1 - P 1 2g
P = γ ∆
c) Ventilador Aspirante Impelente Es una combinación de los casos anteriores. Aspiran y descarga a través de tuberías y resistencias
H =
P 2 - P 1 γ
2
+
2
C 2 - C 1 2g
2
2
C - C 1 ∆ P = P 2 - P 1 + γ 2 2g
En general se tiene que la presión manométrica total es: 2
∆ P = P 2
- P 1 + γ
2
C 2 - C 1 2g
Siendo el primer término la presión estática y el sugundo miembro la presión dinámica. Definición: Cualidad de presión CP En un ventilador aspirando aire libre podemos denominar como cualidad de presión, la relación existente entre la carga estática y la carga total. Esto es:
CP =
∆ P est tico ∆ P total
Es decir,
CP =
P 2 - P 1 2
2
C 2 - C 1 P 2 - P 1 + γ 2g
Ejemplo: Un ventilador aspirando aire libre a 20 C y 760 mmHg e impulsando a la brida de salida bajo una presión efectiva de 60 mm.c.H2O. Con una velocidad de 20 m/s trabaja una carga estática de:. Determine la CP. °
a) Carga estática:
∆ H est tico =
P 2 - P 1
γ
=
2
60 - 0 kg/ m2 = 50 m.c.aire 1.2 kg/ m3
2
C 2 20 = = 20.38 m.c.aire ∆ H din mico = 2g 2 * 9.81 ΔP(total) = 50 + 20.38 = 70.38 m.c.aire CP = 50/70.38 = 0.71 = 71 %
3.6 Leyes del ventilador Existe un gran número de leyes dependiendo de la condición que se establezca de velocidad o diámetro variable. las leyes más comunes son similares al caso de las bombas centrífugas y son las siguiente: I Para velocidad variable, diámetro constante 1.- Q1/Q2 = n1/n2 2.- P1/P2 = (n1/n2)^2 3.- N1/N2 = (n1/n2)^3 II Para diámetro variable, velocidad constante 4.- Q1/Q2 = (D1/D2)^3 5.- P1/P2 = (D1/D2)^2 6.- N1/N2 = (D1/D2)^5
Ejemplo Uso de las leyes 1-3 Datos: Caudal de aire Presión estática
56000 m3/h 35 mm.c.a.
Velocidad del ventilador 382 rpm Potencia absorbida 10.5 CV Hallar: Caudal, presión estática y potencia si la velocidad angular aumenta a 440 rpm.
3.7 Perdidas de carga Al igual que las pérdidas que se generan en las tuberías al paso del agua, con el aire se pierde presión por fricción en los ductos. Estas pérdidas quedan como sigue: Pérdida de carga = Pérdidas de carga + Pérdidas de carga Total Primarias Secundarias PCT = PCP + PCS a) Pérdidas de carga primarias distribuidas en los ductos
L
2
C PCP = λ γ D 2g
2
PCS = ∑γ ξ
C 2g
λ: Coeficiente de pérdida de carga ξ: Coeficiente de pérdida de carga correspondiente a accesorios
Pérdida de carga para ductos de sección no circular En este caso se utilizan las mismas expresiones antes descritas, pero considerando el diámetro D por un diámetro equivalente que se determina como 4 Rh, esto es: d = 4 R h = 4
S p
Rh: radio hidráulico S: Area de la sección transversal del ducto P: Perímetro mojado del ducto
Para el caso de una sección tranversal rectangular de lados a y b, se tiene:
b
a
S = a * b, P = 2a + 2b ,
3.8
D =
2ab (a + b)
Velocidad específica
Si se considera un ventilador con caudal q, altura diferencial H, velocidad de rotación n y radio del rotor r, la velocidad específica ns de este ventilador corresponde a la velocidad a la que debería girar un ventilador geométricamente semejante al primero y que proporcionará un caudal unidad con una altura geométrica diferencial unidad. La forma de la expresión para la velocidad específica es: 1
Q2 n s = n P 3 ( )4 γ
3.9 Coeficiente de Presión Permite calcular la altura de cualquier ventilador que corresponda a una familia de ventiladores a una velocidad determinada. Considerando H = C2u*u2/g, y ψ = C2u/u2, relación de velocidades característica, se tiene: H = ψ*u2 *u2 /g osea
H
ψ = g
P mt = g 2 2 γ u 2 u2
3.10 Coeficiente de Caudal En el triángulo de velocidades de salida, la relación K1=C2r/u2 es otro coeficiente característico de los ventiladores.
C 2r = Luego
Q 2π r 2 b2
K 1 =
Q 2π r 2 b 2 u 2
Además en ventiladores geométricamente semejantes, el coeficiente de la anchura del rotor y el radio exterior es constante, es decir,
b2
K 2 =
= cte
r 2
luego
K 1* K 2 =
Q
b2
r 2 2π b2 r 2 u 2
De donde resulta
K 1 * K 2 =
Q 2π r 22 u 2
Arreglando un poco esta última expresión resulta
2π K 1 * K 2 =
Q 2
u 2 r 2
El producto (2πK1K2), característico de la familia de ventiladores, se denomina coeficiente de caudal del rotor y se designa por φ
φ =
Q 2
u 2 r 2
3.11 Coeficiente de Potencia Para una misma familia de ventiladores, se define el coeficiente de potencia como: τ =
ψ * φ η
Recordando que N =
H * Q η
Reemplazando
H Q (g 2 )*( 2 ) ψ * φ u 2 u 2 r 2 τ = = η η resultando τ =
g * H * Q 3
2
η u 2 r 2
Es decir, τ =
g * N 3
2
u 2 r 2
3.12 Dimensionamiento de ventiladores Si tenemos entrada sin pre-rotación, es decir C1u=0,
ht ∞=
C 2u u 2 g
Arreglando convenientemente, se tiene:
H t ∞ =
u 2 * u 2 * C 2 * cos α 2 u 2 * g
Sea ϕ =
C 2 * cos α 2 u2
Se puede demostrar que
ϕ = 1+
Reemplazando
1 tg α 2 tg β 2
P efect g * u2 =
γ η h * ϕ
2
u2 ht ∞= ϕ * g
3.11.1 Recomendación De Wiesmann Recomendación de relación de radios respecto a la presión desarrollada. P (mm. c. a.)
r 2 / r
100 100 - 300 > 300
1.4 1.6 2.2
1
3.11.2 Recomendación de Hutte a) Velocidad en la boca de aspiración V a = (0.25 a 0.5)*
2gH
b) Diámetro en la boca de aspiración
d a =
4Q π V a
c) Diámetro de la tubería de aspiración
Dtub = 1.2* Da
d) Ancho de los conductos
b1 =
Q C 1 ( π D1 - z * e1 )
b2 =
Q C 2 ( π D2 - z * e2 )
e1, e2 : Espesor de los álabes a la entrada y a la salida respectivamente. z : Número de álabes
3.12 Selección de un ventilador En el momento de elegir un ventilador , después de haber determinado el caudal y la presión deben consultarse las curvas características establecidas por el fabricante y anotar, para cada tipo de máquina el rendimiento y la velocidad correspondiente al caudal y presión deseada. A partir de este momento se debe tener en cuenta que: a) La economía de potencia conduce a seleccionar el rendimiento más alto. b) El ruido aumenta con la presión y la velocidad c) Generalmente si el motor de impulsión ha de ser eléctrico, se habrá de elegir una velocidad en rpm que corresponda a una de las velocidades sincrónicas de los motores eléctricos.
3.13 Accesorios para sistema de acondicionamiento de aire a) Puertas de acceso Si hay posibilidad de acumulación de polvo o suciedad dentro del ventilador, deben ser previstas puertas de acceso en la carcasa envolvente del ventilador. b) Drenajes Si puede producirse la condensación, o arrastre de agua, el ventilador deberá poseer un depósito de desagüe. c) Aletas variables de entrada (u orientables) Se pueden emplear para variar eficazmente el caudal en un amplio margen. Mediante este accesorio se controla el caudal en la boca de entrada del ventilador controlando así la presión estática y la potencia necesaria para un velocidad dada del ventilador.
d) Persianas o amortiguadores de salida Son u dispositivo de control de volumen. se les debe utilizar en aplicaciones que requieran una extremada reducción de capacidad durante cortos períodos y pequeños ajustes. e) Aisladores Son dispositivos de montaje a fin de disminuir las vibraciones. Ejemplo, caucho en las bancadas.
f) Cojinetes El tipo de cojinetes más utilizados en los ventiladores es el de bolas.
