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BONIFACIO ZUÑIGA JOSE (12CS0180)

INGENIERIA MECANICA

MAQUINAS DE FLUIDOS INCOMPRESIBLES

INVESTIGACION UNIDAD 5 “VENTILADORES” 5.1. Características generales y funcionamiento. 5.2. Cálculo de caída de presión en ventiladores. 5.3. Ventiladores centrífugos. 5.4. Ventiladores axiales. 5.5. Selección y problemas de aplicación.

ING. JOSE RUBEN PEREZ GONZALEZ

Ciudad Serdán Puebla, Noviembre del 2015 5.1. CARACTERÍSTICAS GENERALES Y FUNCIONAMIENTO

Para mover el aire a través de una extracción localizada o un sistema de ventilación general de un local es necesario aportar energía para vencer las

pérdidas de carga del sistema. En la gran mayoría de los casos el aporte de energía proviene de máquinas denominadas ventiladores aunque, en algunos casos, la ventilación se puede realizar por convección natural sin el uso de los ventiladores. Los ventiladores son las máquinas más usadas para producir el movimiento del aire en la industria. Su funcionamiento se basa en la entrega de energía mecánica al aire a través de un rotor que gira a alta velocidad y que incrementa la energía cinética del fluido, que luego se transforma parcialmente en presión estática. Se dividen en dos grandes grupos: los ventiladores axiales y los ventiladores centrífugos. Ventiladores axiales

Se usan para mover grandes cantidades de aire en espacios abiertos; como la resistencia al flujo es muy baja, se requiere generar una presión estática pequeña, del orden de los 5 a 25 milímetros de columna de agua (mmcda). Debido a esto, la principal aplicación de los ventiladores axiales se encuentra en el campo de la ventilación general y se los conoce con el nombre de extractores o inyectores de aire. Sin embargo, este tipo de ventiladores, cuando se los construye con álabes en forma de perfil de ala y de paso variable, llegan a generar alturas de presión estáticas del orden de los 300 milímetros de columna de agua (mmcda) y se los usa en aplicaciones diversas. Ventiladores centrífugos En estos ventiladores el aire ingresa en dirección paralela al eje del rotor, por la boca de aspiración, y la descarga se realiza tangencialmente al rotor, es decir que el aire cambia de dirección noventa grados (90 °) Este tipo de ventiladores desarrolla presiones mucho mayores que los ventiladores axiales, alcanzando presiones de hasta 1500 milímetros de columna de agua (mmcda) y son los empleados, mayormente, en los sistemas de ventilación localizada. El principio de funcionamiento de los ventiladores centrífugos es el mismo de las bombas centrífugas. Están constituidos por un rotor que posee una

serie de paletas o álabes, de diversas formas y curvaturas, que giran aproximadamente entre 200 y 5000 rpm dentro de una caja o envoltura . Curva característica del sistema de conductos Como resultado final del cálculo de un sistema de conductos, se obtiene el caudal total de aspiración (Q) que circula por el mismo y la presión requerida por el sistema. La presión se puede indicar como la presión total del ventilador, expresada en altura de columna de agua (h T V) o como la presión estática del ventilador, también expresada en altura de columna de agua (h E V) y las expresiones de cálculo son Cálculo de la potencia del ventilador): h T V = (h E s + h D s) - (h E e + h D e) (mmcda) (4.1), y h E V = h T V - h D s = h E s - h E e - h D e (mmcda)

Curva característica del ventilador En la gráfica anterior también pueden representarse las curvas características de todos los ventiladores que pertenecen a una misma Serie. Para un ventilador de tamaño dado (D), la presión (Δh) desarrollada por el ventilador, expresada como presión total o como presión estática, se representa en función del caudal (Q). Pero en este caso se indican distintas curvas h – Q, cada una correspondiente, a su vez, a un número de revoluciones por minuto (rpm) del rotor. De las distintas curvas posibles, una sola intercepta a la curva característica del sistema en el punto de funcionamiento “A”. Por lo tanto, el ventilador de tamaño “D” solo puede funcionar a un número de revoluciones por minuto (rpm) tal que la curva pase por el punto de funcionamiento “A” requerido por el sistema.

Para otros tamaños de los ventiladores, las curvas pasarán por el mismo punto “A” , cuando los rotores giren a distintos números de revoluciones por minuto (rpm). Al respecto se comenta que las distintas velocidades de giro se logran transmitiendo el movimiento del motor eléctrico al eje del ventilador por medio de correas montadas sobre poleas que está colocadas en el eje del motor eléctrico y en el eje del ventilador; según sea la relación entre los diámetros de estas poleas se obtendrán distintas velocidades de giro del eje del ventilador. También se puede realizar un acople directo entre el motor eléctrico y el ventilador, pero en este caso la velocidad depende del número de polos del primero y no se obtiene la misma gama amplia de velocidades.

Una vez obtenidas las características básicas del ventilador, se debe calcular el rendimiento con el que trabaja. El rendimiento (η) se define, según lo visto en el Capítulo 3, como el cociente entre la potencia que entrega el ventilador al aire (Pot a) dividida por la potencia que el ventilador recibe en su eje (Pot V), ambas expresadas en las mismas unidades: η V = Pot a / Pot V

La potencia entregada al aire por el ventilador depende del caudal que circula y la presión necesaria para vencer las pérdidas que ofrece el sistema de conductos y resulta igual a:

Pot a = Q . h T V . g (W) (4.6) Donde: Q (m3 / s): caudal de aire h T V (mmcda): altura de presión total a entregar por el ventilador, g (m / s2 ): aceleración de la gravedad. La potencia que recibe el ventilador en su eje se obtiene de los datos de funcionamiento provistos por los fabricantes y depende del tamaño de ventilador seleccionado, para una situación determinada. Aplicaciones Ventilación en maquinaria, tableros eléctricos y de control, cuartos limpios, sistemas

con

filtros

y

de

extracción

de

gases,

humidificadores

y

deshumidificadores, ventiladores para equipos de aire CARACTERISTICAS TECNICAS acondicionado, ventilación de laboratorios, etc

5.2. CÁLCULO DE CAÍDA DE PRESIÓN EN VENTILADORES. Supongamos que nuestro sistema de ventilación consiste simplemente en un ventilador soplando un ducto circular, cuyo diámetro bes constante y contiene algunos aditamentos adicionales como pantallas, amortiguadores, etc. Nos muestra como la presión estática varía cuando nos movemos a lo largo del sistema de ventilación, notamos lo siguiente:    

la presión estática ambiente cerca de la entrada del ventilador es cero. El ventilador aumenta la presión estática a un valor máximo positivo. La fricción del ducto reduce la presión estática en una razón baja. La resistencia de ciertos aditamentos reduce la presión estática en una

razón más inclinada.  La baja razón, debido a la fricción del ducto es recuperada.  La presión de velocidad en la salida es una pérdida, como ya se mencionó. Esto reduce la presión estática remanente en la salida del sistema a presión estática de ambiente igual a cero. Como la presión estática varía a lo largo del sistema si el ventilador está sacando del sistema envés de estar soplando en él.  

La presión estática ambiente cerca de la entrada es nuevamente cero. A medida que la velocidad del aire se aumenta de cero a cierto valor en el ducto, la presión estática decrece a un valor negativo iguala la presión de velocidad en el ducto más la pérdida por turbulencia. El decrecimiento sería



menor si el ducto estuviera equipado con una entrada (Venturi). La fricción en el ducto reduce la presión estática a un bajo nivel, a un valor



más negativo. La resistencia de ciertos aditamentos reduce la presión estática a un nivel de mayor inclinación y a un valor aún más negativo.

Variación en la presión estática a lo largo del sistema de ventilación con un ventilador que extrae del sistema. Todas las presiones estáticas son negativas, excepto la pérdida de presión de velocidad al final del sistema.

 La razón lenta, debido a la fricción del ducto, es retomada y reduce la presión estática a un valor todavía más negativo.  El ventilador levanta la presión estática desde su valor más negativo hasta un valor ligeramente positivo.  La presión de velocidad en la salida del sistema es una pérdida que reduce la presión estática en la salida a cero presiones estáticas ambientales. Nos muestra como la presión estática variará a lo largo del sistema si el ventilador está localizado en algún lugar del medio. Las presiones estáticas son negativas en la succión y positivas en la sección de soplado.  La resistencia de ciertos aditamentos reduce la presión estática en una razón más inclinada.  La baja razón, debido a la fricción del ducto, es reasumida.  La presión de velocidad en la salida es una pérdida que reduce la presión estática remanente en la salida del sistema a cero presiones estáticas ambientales nuevamente. Hasta el momento hemos asumido el diámetro del ducto constante. Consideremos ahora la variación de presión debido a una transición cónica convergente, como se aprecia en la figura 6.10, con el ventilador soplando dentro del sistema.    

La presión estática ambiente cerca de la entrada es cero0. El ventilador eleva la presión estática a un máximo valor positivo. La fricción en el ducto reduce la presión estática a un bajo nivel. La transición cónica convergente reduce la presión estática a un nivel excesivo, no solamente debido a la fricción en las paredes de transición ya que principalmente el incremento en la presión de la velocidad (energía cinética) debe ser obtenida a expensas de la presión estática (energía

potencial).  A algún bajo nivel de reducción de la presión estática, debido a la fricción del ducto, es reanudada, pero no tan bajo como en el ítem 3, debido a que un diámetro de ducto más pequeño resulta en una pérdida de fricción.  La presión de velocidad tiene una pérdida considerable en este caso, debido a la reducción del diámetro del ducto. Esta pérdida reduce la presión estática en la salida volviendo la presión estática ambiente a cero.

VENTILADORES CENTRIFUGOS INDUSTRIALES: la mayoría de los fabricantes ofrecen estas unidades con estas cuatro opciones de tipos de rueda:

Ruedas de aire (AH) (placa trasera, cubierta, 10 aspas BI). Ruedas de material (MH) (placa trasera, cubierta, 10 aspas BI). Ruedas de virutas largas (LS) (lo mismo que MH pero sin cubierta) Ruedas abiertas de virutas largas (sin placa trasera, sin cubierta, 6 aspas radiales). Un error típico es no calcular adecuadamente la caída de presión del ventilador. Cuando eso sucede, el aire no llega; se vuelve insuficiente porque la caída está alta. Esto no es conveniente, como tampoco lo es dejarlo sobrado, con volumen de aire mayor del necesario. Aquí llegamos a la práctica del balanceo. Para esto, se debe combinar principalmente la caída de presión y la potencia del ventilador. Si la caída de presión va a ser constante en un ducto, con eso se obtiene el dato de la caída de presión. A partir de ésta se elige el tipo de ventilador. Una cuestión que no debe quedar fuera es la acústica; es decir, que debemos estar conscientes de que no es lo mismo diseñar ductos para una fábrica, en donde el ruido no importa, que para una oficina, donde sí importa, pero no mucho, o para un estudio de grabación, donde la condición de silencio absoluto es esencial. Una última consideración es analizar las características de los difusores; sobre todo, que el tiro sea el correcto. Me ha tocado ver muchas veces un difusor de cuatro vías con una de ellas apuntando hacia la pared. Obviamente, ahí no se va a instalar uno de cuatro vías, sino uno de tres. Estas cosas, que parecen tan sencillas, son las que siempre fallan.

VENTILADOR:

Maquina rotativa que transmite energía al fluido que circula por ella, bajo la forma de aumento de presión

CAUDAL:

Flujo volumétrico determinado para la densidad del aire.

PRESION

Presión del aire debida solo a su grado de compresión. Puede

ESTATICA:

ser positiva o negativa. En el ventilador es la diferencia entre la presión estática de salida y la presión total a la entrada.

PRESION

Presión del aire debida solo a su movimiento. La presión

DINAMICA:

dinámica puede ser solo positiva. En el ventilador será la correspondiente al promedio de las velocidades a la salida del ventilador.

PRESION TOTAL:

Presión del aire debida a su compresión y movimiento. Es la suma algebraica de las presiones dinámica y estática en un punto determinado. Por lo tanto, si el aire está en reposo, la presión total es igual a la presión estática. En el ventilador será la diferencia entre las presiones totales determinadas a la salida y a la entrada del mismo.

Leyes del ventilador En un sistema dado, un ventilador, si se mantiene constante la densidad del aire, cumple con:

- Q1 / Q2 = n1 / n2. - pe1 / pe2 = (n1 / n2)2.

- hp1 / hp2 = (n1 / n2)3.

- Q = Caudal - pe = Presión estática

- hp= Potencia absorbida - n= Velocidad de giro (rpm)

5.3. VENTILADORES CENTRÍFUGOS. VENTILADORES CENTRIFUGOS: Son aquellos en los cuales el flujo de aire cambia su dirección, en un ángulo de 90°, entre la entrada y salida. Se suelen sub-clasificar, según la forma de las palas o álabes del rotor, de la siguiente manera: ENTILADOR

CURVADAS HACIA ADELANTE

PALAS RADIALES

DESCRIPCION Rotor con palas curvadas hacia adelante, apto para caudales altos y bajas presiones. No es autolimitante de potencia. Para un mismo caudal y un mismo diámetro de rotor gira a menos vueltas con menor nivel sonoro. Rotor de palas radiales. Es el diseño más sencillo y de menor rendimiento. Es muy resistente mecánicamente, y el rodete puede ser reparado con facilidad. El diseño le permite ser autolimpiante. La potencia aumenta de forma continua al aumentar el caudal.

APLICACION Se utiliza en instalaciones de ventilación, calefacción y aire acondicionado de baja presión.

Empleado básicamente para instalaciones industriales de manipulación de materiales. Se le puede aplicar recubrimientos especiales anti-desgaste. También se emplea en aplicaciones industriales de alta presión.

INCLINADAS HACIA ATRAS

AIRFOIL

RADIAL TIP

Rotor de palas planas o curvadas inclinadas hacia atrás. Es de alto rendimiento y autolimitador de potencia. Puede girar a velocidades altas.

Se emplea para ventilación, calefacción y aire acondicionado. También puede ser usado en aplicaciones industriales, con ambientes corrosivos y/o bajos contenidos de polvo.

Similar al anterior pero con palas de perfil aerodinámico. Es el de mayor rendimiento dentro de los ventiladores centrífugos. Es autolimitante de potencia.

Es utilizado generalmente para aplicaciones en sistemas de HVAC y aplicaciones industriales con aire limpio. Con construcciones especiales puede ser utilizado en aplicaciones con aire sucio. Como los radiales estos ventiladores son aptos para trabajar en aplicaciones industriales con movimiento de materiales abrasivos, pero con un mayor rendimiento.

Rotores de palas curvadas hacia delante con salida radial. Son una variación de los ventiladores radiales pero con mayor rendimiento. Aptos para trabajar con palas antidesgaste. Son autolimpiantes. La potencia aumenta de forma continua al aumento del caudal.

5.4. VENTILADORES AXIALES. VENTILADORES AXIALES:

Son aquellos en los cuales el flujo de aire sigue la dirección del eje del mismo. Se suelen llamar helicoidales, pues el flujo a la salida tiene una trayectoria con esa forma. En líneas generales son aptos para mover grandes caudales a bajas presiones. Con velocidades periféricas medianamente altas son en general ruidosos. Suelen sub-clasificarse, por la forma de su envolvente, de la siguiente manera: VENTILADOR

HELICOIDAL

TUBE AXIAL

VANE AXIAL

DESCRIPCION Ventiladores aptos para mover grandes caudales de aire con bajas presiones. Son de bajo rendimiento. La transferencia de energía se produce mayoritariamente en forma de presión dinámica. Tienen rendimiento algo superior al anterior y es capaz de desarrollar una presión estática mayor. Por su construcción es apto para intercalar en conductos. Con diseños de palas AIRFOIL, permiten obtener presiones medias y altas con buenos rendimientos. Las palas pueden ser fijas o de ángulo ajustable

APLICACION Se aplica en circulación y extracción de aire en naves industriales. Se instalan en pared sin ningún conducto. Utilizados con objetivo de renovación de aire.

Se utiliza en instalaciones de ventilación, calefacción y aire acondicionado que requieran altos caudales con presión media a baja. También se utiliza en algunos sistemas industriales como cabinas de pintura y extracciones localizadas de humos. Tiene aplicaciones similares a los TUBEAXIAL, pero con la ventaja de tener un flujo más uniforme y la posibilidad de obtener presiones mayores. Para una determinada prestación es relativamente más pequeño que el ventilador centrifugo equiparable.

CENTRIFOIL

Se trata de un Las mismas aplicaciones que el ventilador con rotor ventilador VANEAXIAL. centrifugo pero de flujo axial. Es decir reúne las ventajas del ventilador centrifugo y la facilidad de montaje de un axial con el consiguiente ahorro de espacio.