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Ventilador axial 1

Ventilador Axial Carrera D.*; Chiluisa S.*; Cuenca A.*; Enriquez E.*; Erazo J.* ; Nieto M.* ; Otero F.* ; Torres J.* *Escuela Politécnica Nacional, Facultad de Ingeniería Mecánica, Quito, Ecuador e-mail: [email protected] [email protected] [email protected] [email protected] [email protected] [email protected] [email protected]

Resumen: El estudio de las Turbomáquinas es importante para el desarrollo industrial. En esta área se aplican los conocimientos de mecánica de fluidos, acompañado de la dinámica de los gases, previamente estudiados. Una de las clasificaciones de las Turbomáquinas son los ventiladores. Para este trabajo se estudiará los ventiladores axiales, de forma que su funcionamiento, partes y fundamentos de operación queden comprendidos dentro de esta investigación. Palabras clave: Turbomáquinas, mecánica de fluidos, dinámica de gases, ventiladores, ventilar axial. Abstract: The study of Turbomachinery is important for industrial development. In this area of knowledge of fluid mechanics, accompanied by the gas dynamics, previously studied apply. One of turbomachinery classifications are the fans. For this work axial fans will be studied so that its operation, parts and operating fundamentals remain covered in this research. Keywords: Turbomachinery, fluid mechanics, gas dynamics, fans, axial fan.

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1. INTRODUCCION Máquinas de fluido: En las máquinas llamadas motoras se transforma la energía del fluido en energía mecánica a través del eje para producir por ejemplo, mediante un generador acoplado, energía eléctrica. Las máquinas generadoras por el contrario absorben energía mecánica e incrementan la energía del fluido. A este grupo pertenecen las bombas, compresores y los ventiladores que es nuestro caso. [1] Turbomáquina: Una máquina es un transformador de energía al absorber energía de una clase y restituirla de otra clase mediante un rodete, rotor conectado al eje del motor. [1] Máquina hidráulica: Es aquella en que el fluido que intercambia su energía no varía sensiblemente de densidad en su paso a través de la máquina, por lo cual en el diseño y estudio de la misma se hace la hipótesis de que ρ=cte. En nuestro caso el ventilador se considera como máquina hidráulica en el cual el fluido es aire y conforme al número de mach que manejemos se cumplirá que la densidad tienda a ser constante. [1]

restituyen energía a un fluido como una bomba, un ventilador. [2] Ventilador: Es la Turbomáquina que absorbe energía mecánica y restituye energía a un gas, comunicándole un incremento de presión tal que el influjo de la compresibilidad pueda despreciarse. Un ventilador es una Turbomáquina térmica generadora para gases. Si el gas puede considerarse prácticamente incompresible a su paso por la máquina, la teoría y funcionamiento de la bomba de gas será idéntica a la de la bomba de líquido. Esto ocurre cuando la variación de presiones es pequeña. [1] La línea de separación entre el ventilador y compresor puede tratase como un convenio. Antiguamente se decía que si la variación de presiones menor o igual a 1.000 mm de columna de agua, el efecto de la compresibilidad podría despreciarse y la máquina era considerada un ventilador. [1] Presión estática Presión del aire debida solo a su grado de compresión. Puede ser positiva o negativa. En el ventilador es la diferencia entre la presión estática de salida y la presión total a la entrada. [3]

Turbomáquinas Térmicas: Son aquellas que absorben energía de un fluido y restituyen generalmente energía mecánica en el eje, como una turbina de vapor, una turbina hidráulica; o bien absorben energía mecánica en el eje y

Presión dinámica: Presión del aire debida solo a su movimiento. La presión dinámica puede ser solo positiva. En el ventilador será la correspondiente al promedio de las velocidades a la salida del ventilador. [3]

Artículo recibido el XX, 2013; revisado XX julio de 2013. (Escriba la fecha en que .

Presión total: Es la suma de la presión estática y dinámica. [3]

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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. [15] 2. Ventilador Axial 2.1. Partes del ventilador axial: Visión general:

Fig. 2: Rodete. Fuente: [5] Descarga Se trata de un conducto que ayuda direccionar el flujo del fluido, hacia el destino para el cual se diseña el ventilador. Puede o no tener instalado el sistema. Elementos estructurales:

Fig. 1: Partes del ventilador axial. Fuente: [4] Partes del ventilador en función del sentido de flujo del aire: Tobera de admisión Se trata de un accesorio que sirve para minimizar la pérdida de carga derivada de la entrada del aire en el ventilador. Salvo en los ventiladores reversibles con dos difusores, la mayoría de los ventiladores llevan acoplado este accesorio si no están conectados al circuito de ventilación por un codo a pozo o directamente a un tabique mediante una pieza de conexión. [5] Rejilla Este accesorio sirve para proteger el rodete de la entrada de elementos no deseados que puedan entorpecer el buen funcionamiento del ventilador. Normalmente se coloca en la zona de aspiración del ventilador, aunque si el ventilador fuese reversible, debería colocarse tanto en aspiración como en impulsión. [5] Rodete El rodete del ventilador es la parte móvil del mismo. Como hemos visto, se compone de álabes y cubo o soporte de los álabes. En función de las necesidades, el rodete puede ser de álabes regulables o no regulables. En el caso de álabes regulables, pueden serlo por diversos sistemas: - Álabes regulables manualmente por regulación individual, álabe a álabe. - Álabes regulables manualmente por regulación central. - Álabes regulables hidráulicamente. En este caso existe la posibilidad de que dicha regulación se haga con el ventilador en marcha.

Carcasa Es la envolvente que protege el rodete y el motor del ventilador. Normalmente está construida por acero al carbono. Si las condiciones de trabajo del ventilador son de una exigencia baja suele hacerse un tratamiento de chorreado, mientras que si hay una exigencia mayor, el tratamiento será de galvanizado en caliente. Para facilitar el transporte, montaje y mantenimiento, pueden fabricarse carcasas independientes para motor y rodete. Por el mismo motivo, si el diámetro de ventilador es muy grande (más de 1800mm), la carcasa o carcasas se fabrican partidas en dos piezas.

Fig. 3: Carcasa Fuente: [5] Elementos funcionales:

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Motor El tipo de motor del ventilador depende de las características del mismo. Algunas características a reseñar son: La forma constructiva varía entre B3, B5 y B8 si el ventilador es horizontal, y V1 y V3 en caso de ventiladores verticales. - Ventiladores antideflagrantes necesitan motores encapsulados. Antideflagrante: Técnica de diseño o construcción destinada a evitar la iniciación o propagación de una combustión en atmósferas inflamables - Si el ventilador es resistente a temperatura, por ejemplo, 400ºC durante 2 horas, el motor lógicamente también debe serlo, salvo que éste no este bañado por el flujo del aire que moviliza el ventilador. - En cuanto a los rodamientos del motor, suele exigirse que tengan una vida L10 mayor de 20000 horas - El motor debe ir preparado para llevar sondas de temperatura si así se requiere. - En la selección del motor se considerará también el tipo de arranque que se proyecte para el mismo (variador de frecuencia, arrancador suave, arranque directo o arranque estrella triángulo) - Si el ventilador va a trabajar a grandes altitudes (mayor de 1000m), en atmósferas con grandes humedades relativas (mayores del 90%) y temperaturas mayores de 40ºC o menores de -20ºC, hay que transmitir estos factores al fabricante para que dimensione adecuadamente el motor. - En cuanto a la ubicación del motor, si éste puede ir dentro de la parte activa del ventilador, en la carcasa del ventilador o puede ir fuera del mismo, con transmisión por eje cardan. Este tipo de accionamientos se usa en ventiladores para minería cuando se da alguno de los siguientes supuestos:  El aire que pasa por el ventilador es corrosivo, y por tanto el motor se desea ` instalar fuera de la influencia del circuito de aire para una mayor duración de los rodamientos.  En caso de atmósfera potencialmente explosiva, donde se desea instalar el motor fuera del circuito de aire para evitar tener que utilizar un motor antideflagrante.  Se desea instalar el motor fuera del circuito porque así se optimizan las labores de mantenimiento o reemplazo del motor.

En ventiladores de mina se utilizan poco. Generalmente, los ventiladores van apoyados directamente a la cimentación con un anclaje robusto, de manera que sea la cimentación quien absorba las vibraciones. [5]

Fig. 4: Soporte antivibratorio Fuente: [5] Compensador textil El compensador textil es un elemento que se conecta normalmente a ambos lados de la parte activa del ventilador. Su objetivo es aislar el ventilador del resto de elementos, de manera que les transmita las vibraciones que se generan en él. Por otro lado, permite extraer la parte activa del ventilador si fuese necesario, sin más que quitarle los anclajes de la cimentación. [5] 2.2. Triángulos de velocidad: La velocidad absoluta del fluido C, la velocidad periférica U, y ⃗⃗ la velocidad del fluido respecto del rotor viene dada por la expresión: ⃗ ⃗ ⃗⃗

Los ventiladores con accionamiento por eje cardan suelen ser máquinas de mayores dimensiones, y por tanto estructuras más complejas y que requieren de más obra civil de cara a su instalación. [5] Elementos auxiliares: Soportes antivibratorios Los soportes antivibratorios son accesorios destinados a reducir la vibración que se produce en los mismos cuando están funcionando. Se trata de unos amortiguadores de muelle o caucho que se colocan en las patas del ventilador.

Fig. 5: Triángulos de velocidad. Fuente: [6]

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Particularización de la ecuación de Euler para ventiladores Al momento de particularizar esta ecuación para ventiladores y bombas centrifugas deberemos tener en cuenta que la misma maneja tan solo variables bidimensionales, pero puede ser usada también para el caso de alabes tridimensionales.

[6] 2.3. Comportamiento del Aire: Los ventiladores producen flujos de aire con alto volumen y baja presión, a diferencia de los compresores, que producen altas presiones a volúmenes comparativamente bajos. Las aspas de un ventilador generalmente rotarán al ser expuestas a una corriente de aire y dispositivos que aprovechan este fenómeno, tales como anemómetros y turbinas de aire, que generalmente están diseñadas de forma similar a un ventilador. El aire circula por un conducto gracias a la diferencia de presión que existe entre sus extremos. [7]

Si tomamos en cuenta el caso de un flujo que entra sin pre rotación al ventilador, tenemos que que 1 = 90 y que CU 1 =0 tenemos:

Lo que podemos observar en la siguiente gráfica.

Para diferencias de nivel de hasta 100 m, velocidades inferiores a 50 m/s (caso que puede considerarse al aire como incompresible) y régimen estacionario. [7] Flujo incompresible: Aquellos flujos donde las variaciones en densidad son insignificantes se denominan incompresibles. [8] Régimen estacionario: La trayectoria descrita por un elemento de fluido en movimiento se llama línea de flujo. La velocidad del elemento varía en magnitud y dirección a lo largo de su línea de flujo. Si cada elemento que pasa por un punto dado sigue la misma línea de flujo que los elementos precedentes se dice que el flujo es estable o estacionario.[9]

Fig. 7: Triángulos de velocidad. Fuente: [10] Del triángulo de velocidades se deduce que:

2.4. Ecuaciones de Euler para ventilador axial: En un ventilador axial, el flujo sobre los álabes no tiene prácticamente componente radial, con lo que la velocidad solo tendrá componentes axial y tangencial: la componente axial (vz) es la que determina el caudal en cualquier sección recta (perpendicular al eje) y se denomina habitualmente componente normal (vn); la componente tangencial (vt) es la que determina la potencia específica. A partir de la geometría de los álabes (envergaduras y ángulos), se puede obtener el caudal y la potencia consumida. [10]

Remplazando en la Ecuación de Euler para este caso específico tenemos:

TPi : Variación de presión total (dinámica + estática) [11] 2.5. Curvas características

Fig. 6: Triángulos de velocidad ventilador axial Fuente: [10]

La característica de un ventilador es la mejor referencia del mismo ya que indica su capacidad en función de la presión que se le exige. [11] El punto ideal de funcionamiento es el que corresponde a su máximo rendimiento y es con el que debería coincidir el punto de diseño del mismo, el punto N en la Fig. 8.

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Fig. 8: Representación de una curva tipo en la que se han grafiado las presiones estáticas, que representan las pérdidas de carga, y las totales y dinámicas. También se representa una curva de rendimiento mecánico del aparato. Fuente: [12] La zona de trabajo idónea de un ventilador es el tramo A-B de su característica. Entre B y C su funcionamiento es inestable, el rendimiento desciende rápidamente y aumenta notablemente el ruido. Por ello en muchos catálogos se representa sólo el tramo eficaz de funcionamiento obviando el tramo hasta la presión máxima de que es capaz. Punto de trabajo de un ventilador: Para conocer el punto en que trabajará un ventilador, una vez determinada la pérdida de carga que debe vencer el mismo, no hay más que, sobre el eje de ordenadas, señalar la pérdida de carga en mm c.d.a. A partir de aquí y con una horizontal llegaremos a cortar la curva característica en un punto, a partir del cual y mediante una línea vertical llegaremos a cortar el eje de abscisas, en donde nos indicará el caudal que proporcionará el ventilador en cuestión, trabajando contra la pérdida de carga que hemos considerado inicialmente. [12] Por ejemplo: si el ventilador de la Fig. 8 debe vencer 16 mm c.d.a., a partir de este valor sobre el eje de ordenadas, con una horizontal cortaremos la curva en el punto de trabajo N y de aquí, con una vertical, encontraremos el eje de abscisas en 5.000 m³/h que es el caudal que dará el aparato. [12] Si disponemos de la característica resistente del sistema, podemos encontrar de forma fácil el punto de trabajo de un ventilador acoplado al mismo sin más que superponer las curvas características del ventilador y resistente del conducto según se indica en la Fig. 9. [12]

Fig. 9: Curvas características de un ventilador Fuente: [12] El punto de intersección de ambas nos dará el punto N de trabajo del ventilador. Si deseamos construir la característica resistente del sistema debemos partir de la base de que en las instalaciones de ventilación la pérdida de carga que se origina varía proporcionalmente al cuadrado del caudal que fluye a través de la canalización. [12

Fig. 10. Curvas características Fuente: [12]

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2.6. Aplicaciones

industriales como cabinas de pintura y extracciones localizadas de humos.

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. [13] 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. [13] 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. [14]

VANE AXIAL

Suelen sub-clasificarse, por la forma de su envolvente, de la siguiente manera:

VENTILADOR

HELICOIDAL

TUBE AXIAL

DESCRIPCIÓN

APLICACIÓN

Ventiladores aptos para mover grandes caudales de aire con bajas presiones. Son de bajo rendimiento. La transferencia de energía se produce mayoritariament e en forma de presión dinámica.[14]

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.

Tienen rendimiento algo superior al anterior y es capaz de desarrollar una presión estática mayor. Por su construcción es apto para intercalar en conductos. [14]

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

CENTRIFOIL

Con diseños de palas AIRFOIL, permiten obtener presiones medias y altas con buenos rendimientos. Las palas pueden ser fijas o de ángulo ajustable[14]

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.

Se trata de un ventilador con rotor centrífugo pero de flujo axial. Es decir reúne las ventajas del ventilador centrífugo y la facilidad de montaje de un axial con el consiguiente ahorro de espacio. [14]

Las mismas aplicaciones que el ventilador VANEAXIAL.

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REFERENCIAS [1] [2] [3] [4]

[5]

[6]

[7]

Mataix C. (1996). Mecánica de fluidos y máquinas hidráulicas. Madrid: Del Castillo. Febomenos de transporte. Unet. Recuperado el 14 de noviembre del 2015; de: http://www.unet.edu.ve/~fenomeno/F_DE_T-164.htm Atmospheric Fan System. (s.f.). Obtenido de http://extractores.com.mx/ventiladores%20axiales.htm Chicago Blower Corporation. (s.f.). Recuperado el 14 de noviembre 2015; de: http://www.chiblosa.com.ar/spanish/herramientas/teoria_de_los_ventil adores.htm Causas de la contaminación acústica, (s.f.). Recuperado el 14 de noviembre 2015; de: http://www.lpi.tel.uva.es/~nacho/docencia/ing_ond_1/trabajos_05_06/i o8/public_html/causas.html Forofrio. (s.f.). Obtenido de: http://forofrio.com/index.php?option=com_content&view=article&id= 250:ventiladores-de-flujo-axial-problemas-ysoluciones&catid=9:actualidad&Itemid=54 Zitron, Libro de ventilación, Partes del ventilador axial, (s.f.).

[8] [9] [10] [11] [12]

[13]

[14] [15]

Ventiladores axiales . (s.f.). Recuperado el 14 de noviembre 2015; de: http://extractores.com.mx/ventiladores%20axiales.htm Dinámica de fluidos . (s.f.). Recuperado el 14 de noviembre 2015; de: http://www.ugr.es/~jtorres/t7.pdf Encinas P. ,Turbomáquina hidráulicas, editorial lisuma, 1984 Pashkov K. ,Maquinas hidráulicas , editorial, mir moscu 1985 Hojas técnicas- Curvas características , S&P, Recuperado el 14 de noviembre 2015; de: http://www.solerpalau.es/es-es/hojas-tecnicascurva-caracteristica/ Universidad de Cantabria. (s.f.). Obtenido de http://personales.unican.es/renedoc/Trasparencias%20WEB/Trasp%20 Sist%20Ener/04%20Ventiladores.pdf Ventiladores axiales, Recuperado el 18 de noviembre del 2015, de: http://extractores.com.mx/ventiladores%20axiales.htm William, D., & Gravey, A. (1996). Mantenimiento y funcionamiento de silos. Roma, Italia: FAO.