miércoles, 9 de febrero de 2011

Ventiladores


                                                                   Introducción

Definición y conceptos generales
Un ventilador es una máquina de fluido concebida para producir una corriente de aire mediante un rodete con aspas que giran produciendo una diferencia de presiones. Entre sus aplicaciones, destacan las de hacer circular y renovar el aire en un lugar cerrado para proporcionar oxígeno suficiente a los ocupantes y eliminar olores, principalmente en lugares cerrados; así como la de disminuir la resistencia de transmisión de calor por convección. Fue inventado en 1882 por el estadounidense Schuyler S. Wheeler.
Se utiliza para desplazar aire o gas de un lugar a otro, dentro de o entre espacios, para motivos industriales o uso residencial, para ventilación o para aumentar la circulación de aire en un espacio habitado, básicamente para refrescar. Por esta razón, es un elemento indispensable en climas cálidos.
Un ventilador también es la turbo máquina que absorbe energía mecánica y la transfiere a un gas, proporcionándole un incremento de presión no mayor de 1.000 mmH2O aproximadamente, por lo que da lugar a una variación muy pequeña del volumen específico y suele ser considerada una máquina hidráulica.
En energía, los ventiladores se usan principalmente para producir flujo de gases de un punto a otro; es posible que la conducción del propio gas sea lo esencial, pero también en muchos casos, el gas actúa sólo como medio de transporte de calor, humedad, etc.; o de material sólido, como cenizas, polvos, etc.
Entre los ventiladores y compresores existen diferencias. El objeto fundamental de los primeros es mover un flujo de gas, a menudo en grandes cantidades, pero a bajas presiones; mientras que los segundos están diseñados principalmente para producir grandes presiones y flujos de gas relativamente pequeños. En el caso de los ventiladores, el aumento de presión es generalmente tan insignificante comparado con la presión absoluta del gas, que la densidad de éste puede considerarse inalterada durante el proceso de la operación; de este modo, el gas se considera incompresible como si fuera un líquido. Por consiguiente en principio no hay diferencia entre la forma de operación de un ventilador y de una bomba de construcción similar, lo que significa que matemáticamente se pueden tratar en forma análoga.
También de forma secundaria, se utiliza el ventilador para asistir un intercambiadores de calor como un disipador o un radiador con la finalidad de aumentar la transferencia de calor entre un sólido y el aire o entre los fluidos que interactúan. Una clara aplicación de esto se ve reflejada en evaporadores y condensadores en sistemas de refrigeración en que el ventilador ayuda a transferir el calor latente entre el refrigerante y el aire, y viceversa. Así mismo, equipos de acondicionamiento de aire como la Unidad manejadora de aire (UMA), ocupan un ventilador centrífugo de baja presión estática para circular el aire por una red de ductos al interior de una edificación o instalación industrial.
Suele haber circulación de aire o ventilación a través de los huecos en las paredes de un edificio, en especial a través de puertas y ventanas. Pero esta ventilación natural, quizá aceptable en viviendas, no es suficiente en edificios públicos, como oficinas, teatros o fábricas. Los dispositivos de ventilación más sencillos utilizados en lugares donde se necesita mucha ventilación son ventiladores instalados para extraer el aire viciado del edificio y favorecer la entrada de aire fresco. Los sistemas de ventilación pueden combinarse con calentadores, filtros, controladores de humedad y dispositivos de refrigeración.

Tipos de ventiladores

 

·         Industriales: Centrífugos, Helicocentrífufos, Helicoidales de distintas presiones y caudales.
·         De pared: son fijados en la pared, permitiendo una mayor circulación en lugares pequeños, donde el uso de ventiladores no es soportado debido a la largura del ambiente, o en conjunto con otros ventiladores, proporcionando una mayor circulación de aire.
·         De mesa: son ventiladores de baja potencia utilizados especialmente en oficinas o en ambientes donde necesitan poca ventilación. Ver figura 1 (anexo)
·         De piso: son portátiles y silenciosos, posibilitan que sean colocados en el suelo en cualquier ambiente de una casa, pudiendo ser trasladados a cualquier parte. Podemos encontrarlos en varios modelos y formas. Ver figura 2  (anexo).
·         De techo: son ventiladores verticales, sus aspas están en posición horizontal, y por lo tanto el aire va hacia abajo. Muy comunes, utilizados en habitaciones donde no hay espacio disponible en las paredes o el suelo. Ver figura 4 (Anexo).

El ventilador, o el eyector, es el dispositivo que se encarga de proporcionar la energía necesaria para el movimiento del aire en el interior del sistema, venciendo, al mismo tiempo, las pérdidas debidas al rozamiento, la entrada a la campana y las uniones de conductos.

Los equipos de movimiento de aire se clasifican en:

 a) Eyectores. Se emplean cuando no es conveniente que el aire contaminado circule por el equipo generador de movimiento, como sería el caso de materiales corrosivos, inflamables, explosivos o pulverulentos que pudiesen dañar. Ver figura 4 (anexo)

b) Axiales.  El aire se desplaza en el sentido del eje de rotación de la hélice.
Pueden ser de tres tipos: Helicoidal Tubular o Tubular con directrices. Ver figuras 5 (anexo).

c) Centrífugos. El aire entra axialmente y sale en dirección radial. Proporciona mayor flexibilidad en su empleo. Tres tipos: 1) Centrífugos radiales
2) De palas curvadas hacia delante
3) De palas curvadas/inclinadas hacia atrás.
Ver figuras 6 (anexo)

Ventiladores Especiales. Entre estos se encuentran los Centrífugos de flujo
axial, Extractores de techo y Combinación de ventilador y colector de polvo.

La elección del ventilador vendrá determinada por:

ü  Capacidad. Viene definida por el caudal y la presión necesarios en el sistema.
ü  Corriente de aire. El material que circula a través del ventilador.
ü  Limitaciones de espacio y acceso para mantenimiento.
ü  Disposiciones de la transmisión: acoplamiento directo o por correas.
ü  Ruido.
ü  Seguridad y accesorios. Se deben tener en cuenta los resguardos, los accesorios, la regulación del caudal con compuertas.

En el caso de que las renovaciones de aire se realicen con ventiladores se denomina ventilación general mecánica.
El objetivo de la ventilación general para el control de residuos sólidos pulverulentos es incrementar la concentración de aire exterior y provocar así la dilución de las impurezas hasta la concentración máxima admisible. Así, se extrae aire viciado del interior sustituyéndolo por aire exterior.

 CONSIDERACIONES SOBRE SEGURIDAD

Los ventiladores deberán situarse de forma que circule aire limpio a través de ellos reduciendo el riesgo de ignición, y tendrán las aletas bien equilibradas para evitar el roce con los conductos. Su motor estará fuera del circuito.
Además de estas medidas preventivas es preciso disponer de medios adecuados para anular o limitar los efectos de la explosión.
 Son cuatro los medios principales para evitar o reducir los efectos de una explosión.
1) Confinamiento de la explosión en recintos, mediante diseños que soporten o aíslen dicha explosión.
2) Separación de recintos explosivos de forma que la explosión de una parte de la instalación no dañe a las otras ni cause lesiones al personal.
3) Alivio de la presión causada por una explosión desviando la fuerza de la carga de forma que cause el menor daño posible.
4) Supresión de la explosión utilizando la presión liberada en las primeras etapas de una explosión para liberar una reacción química que suprima la explosión.

Otras consideraciones de seguridad son:

a) Seguridad en el trabajo. Se deben instalar resguardos en todos los puntos de riesgo, como pueden ser las entradas y salidas de aire del ventilador. También son importantes las barandillas de seguridad en los elementos aliviadores y la señalización.

b) Materiales corrosivos. Puede ser necesario el empleo de recubrimientos anticorrosivos o de materiales especiales de construcción (acero inoxidable, fibra de vidrio, etc.) en los componentes de la instalación.

c) Toxicidad. Cuando se trabaje con materiales tóxicos, los equipos tendrán las siguientes características: alta eficacia, bajo mantenimiento y tratamiento seguro de los residuos.


Ventiladores con Ciclo de Presión: En los ventiladores de ciclo de presión, la presión del aire es medida en la boca, mientras una alta presión positiva (Pv) es desarrollada en el ventilador.

Ventiladores con Ciclo de Volumen. En este modo de operación, el ventilador suspende la inspiración cuando un determinado volumen de gas es suministrado a los pulmones

Ventiladores industriales

La técnica de ventilación impone diversas exigencias a los ventiladores, por lo que se necesitan muchos tipos de ellos. Hay que diferenciar entre dos tipos constructivos básicos: Ventiladores radiales y ventiladores axiales.
En los ventiladores axiales el aire fluye a través del ventilador en dirección axial. Estos ventiladores transportan cantidades grandes de aire (caudales) con
pequeños aumentos de presión.

Los ventiladores axiales son apropiados para la extracción de aire en general, gases y vapores, o para la inyección de aire en recintos tales como salas de cine, tiendas, almacenes, establos, gallineros, etc. También se emplean para disipar el calor producido por equipos que requieran constante refrigeración, como motores y transformadores de potencia.

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Instalaciones de extracción de impurezas del aire

Son adecuadas para locales o fábricas donde se generan vapores o polvo. Aparte de la ventilación del local, la extracción de impurezas debe ser hecha lo más cerca posible del lugar donde se generan, por medio de un ventilador
que, combinado con un sistemas de campana y recolector, transporte las impurezas y las deposite (si es el caso) en lugares seguros (colectores).
Dependiendo de las condiciones físicas y geométricas del local, es aconsejable instalar dos o más ventiladores uniformemente distribuidos, con lo cual se obtiene una ventilación más eficiente del recinto. Ya que el motor está dispuesto en el trayecto de flujo de aire, se recomienda utilizarlo en temperaturas inferiores a 40º C., en la misma forma, para aplicaciones con humedad relativa alta del medio a transportar, se recomienda hacer protección IP54 al motor.

Los ventiladores axiales con elevado caudal de aire son especialmente aptos para ser instalados sobre paredes o ductos, en cualquier posición axial. Para su montaje debe tenerse en cuenta la función deseada: Extracción o inyección, ya que el aire debe circular en dirección de las aspas al motor, para lo cual el sentido de giro del motor debe ser hacia la derecha. Un cambio en el sentido de rotación reduce en un 35% el caudal nominal de aire.
Su ejecución mecánica se basa en una tobera cilíndrica en lámina de acero (laminado en frío) con dos recubrimientos de pintura, una anticorrosiva, en casos de humedad, y otra de acabado color gris. El motor se fija por medio de cuatro soportes equidistantes, un extremo apoyado sobre una abrazadera alrededor de este y el otro al cilindro del ventilador. La rueda de aletas plásticas, en polipropileno de alta resistencia o, bajo pedido, en fundición de aluminio, se fija directamente al eje del motor, no siendo necesaria una brida especial. Los valores de caudal de aire se basan en una sobrepresión estática equivalente a 0 N/m2 y en un medio a transportar con peso específico de 1.23Kp/m, correspondiente al aire a una temperatura de 15º C. y 76 mm columna de mercurio.

Ejecuciones estándar con motor monofásico: Este tipo de ventilador se construye en diámetros desde 250 mm. hasta 500 mm., con motor Sin interruptor centrífugo, es decir, con arranque por condensador para servicio permanente en redes de 110 V., 60 Hz. ó, bajo pedido, a 150 V., en ambos casos a 1800 rpm. El motor viene con carcasa en lámina de acero totalmente cerrado, protección IP44, con el condensador sobre el platillo posterior; de esta manera el aire circula libremente sin resistencias ni turbulencias a través de la superficie del motor, aumentando su caudal nominal y reduciendo el nivel de ruido.

Con motor trifásico: Este tipo de ventiladores se construye en diámetros desde 400 mm. hasta 710 mm., con motores totalmente cerrados, clase de protección IP44, a 1800 y 1200 rpm., para redes de 220/440 V., 60 Hz, voltajes de 260 V. y 380 V., bajo pedido. Para la protección eléctrica del motor se aconseja utilizar un guarda motor SIRIUS 3RV como protección contra cortocircuito, sobrecarga y marcha en dos fases, producidas por bajos voltajes o fallas en la red de alimentación, adicionalmente permite la conexión y desconexión de la red.

Ventilador para transformadores: En este caso el ventilador está conformado por un cilindro con anillo integrado en lámina CR. El motor con aspa se fija al cilindro igual que en la ejecución estándar. El aspa se encuentra protegida a lado y lado por una malla. Todo el conjunto se protege con una capa especial de pintura electrostática. La fijación del ventilador se realiza usando los agujeros provistos en el borde del anillo. En este caso el flujo del aire es en sentido contrario a la ejecución estándar; para lograrlo, el motor gira también en sentido contrario y el aspa se encuentra colocada en forma invertida.

Información técnica desde el caudal del ventilador, los diversos tipos de presión o fuerzas que puede soportar un ventilador (estática, dinámica y total), potencia instalada y absorbida, tablas de niveles sonoros en función de la distancia, etc.
Caudal del ventilador
El caudal (Q) de un ventilador, es la cantidad de aire que éste puede desplazar por unidad de tiempo. Habitualmente se expresa en m3/ho C.F.M.1C.F.M.=1,7m3/h En las características técnicas se refleja el caudal máximo del ventilador a descarga libre, sin ningún tipo de pérdida de carga.
Presión del ventilador
Es el valor de la fuerza que ejerce el ventilador para vencer las pérdidas de carga de una instalación de ventilación. En las curvas características se reflejan los valores en mm c.a. (milímetros columna de agua) y Pa (Pascals). 9,8 Pa = 1 mm c.a. Presión estática (Pe): Es la fuerza que ejerce el aire sobre las paredes de las tuberías. Esta presión es positiva, cuanto es mayor que la atmosférica. Si las paredes de la tubería fueran elásticas, veríamos cómo se dilatan (Sobrepresión). Cuando es menor a la presión atmosférica, la presión es negativa y las paredes se contraerían Depresión). Presión dinámica (Pd): Es la fuerza por unidad de superficie que provoca el aire en movimiento y se manifiesta en el mismo sentido que la dirección de éste. Presión total (Pt): Es la suma de la presión estática y la dinámica.
Potencia instalada
Es la potencia mecánica útil, que desarrolla el motor eléctrico en su eje, para ser aprovechada por la hélice o turbina del ventilador. En las características técnicas se expresa en Kw (Kilowatios). 1 KW = 1,36 CV.
Potencia absorbida
Es la cantidad de potencia que el ventilador absorbe de la red eléctrica. Parte de esta potencia se transforma en potencia útil mecánica en el eje del motor y parte se pierde por calentamiento y rozamientos del motor. La potencia absorbida del ventilador, es siempre mayor que la potencia mecánica útil  aprovechada.    Habitualmente la potencia  absorbida se expresa en W (watios).
Nivel sonoro
El sonido es la sensación auditiva producida por el movimiento ondulatorio del aire, debido a un movimiento vibratorio. Las ondas sonoras se propagan a través del aire, alcanzando en algún momento la posición que ocupa algún receptor. Cuando el sonido audible es desagradable, es cuando hablamos de ruido. Potencia Sonora (Lw): Es la cantidad de energía emitida por una fuente en cada segundo. Este valor no varía en función del local o distancia en la que se encuentre a fuente sonora. Presión Sonora (Lp): Es la percepción que tiene el oído, de los valores de la potencia sonora, y varía en función del local y de la distancia entre el emisor y el receptor. Reducción del nivel sonoro en función de la distancia. Ver figura 7 (anexo).
Leyes de los ventiladores
1ª Ley: los caudales son proporcionales a los números de  revoluciones.
Q1  =  M1
Q2      M2
2ª Ley: las presiones engendradas son directamente proporcional al cuadrado del número de revoluciones.
P1  =  (M1)²
P2      (M2)²
3ª Ley: Las potencias son directamente proporcionales al cubo del número de revoluciones.
W1  = (M1)³
W2     (M2)³
Q= Caudal.
M= Número de revoluciones.
W= Potencia.
En ventiladores geométricamente semejantes.
4ª Ley: Los caudales son directamente proporcionales al cubo de los diámetros.
5ª Ley: Las presiones engendrara son directamente proporcional al cuadrado del diámetro.
6ª Ley: Las potencias son directamente proporcionales a la quinta potencia del diámetro.
7ª Ley: Los caudales no varían con la densidad del aire.
8ª Ley: Las presiones engendradas varían en relación directa con  la densidad.
9ª Ley: Las potencias absorbidas varían directa con la densidad.

Ventilador como impulsor: La velocidad del aire a una distancia de  treinta veces el diámetro de la boca del impulsor es de 10 por 100 de la velocidad de salida.
Ventilador como aspirador: En cambio la velocidad del aire a una distancia de solo una vez el diámetro de la boca de aspiración es de 10 por 100 de la velocidad de esta boca.
Rendimiento de un ventilador:  Es la proporción entre la energía utilizada y la energía total suministrada que viene dada por la siguiente formula:
R=       Q           x  100 =
        Pt  x W
R= rendimiento en %.
Q= Caudal de aire en m³/h.
Pt= Presión total.
W= Potencia desarrollada en Kw.

Curva Característica de un Ventilador. Según sea el ventilador, su curva característica adopta una u otra forma, Los ventiladores centrífugos, en general, son capaces de manejar presiones altas con caudales más bien bajos. En la figura 3 se observa una curva característica de un ventilador centrífugo en términos de la presión total, la presión estática y la presión dinámica.
Para trazar la Curva Característica de un ventilador, se debe llevar a cabo un procedimiento que procure los datos necesarios. Para poder disponer de los distintos caudales que puede manejar un ventilador según sea la pérdida de carga del sistema contra el cual esté trabajando, se ensaya el aparato variándole la carga desde el caudal máximo al caudal cero. Todos los pares de valores obtenidos caudal-presión se llevan a unos ejes coordenados, obteniéndose la Curva Característica.
La Fig.8 representa una curva tipo en la que se han representado gráficamente las presiones estáticas, que representan las pérdidas de carga, las totales y dinámicas. También se representa una curva de rendimiento mecánico del aparato.
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.