VENTILADORES 1. Marco Teórico:
Un ventilador esencialmente es una bomba de gas en vez de liquido. Por tanto: Ventilador es una turbomáquina hidráulica generadora para gases.
Los líquidos son poco compresible y los gases muy compresibles. La compresibilidad puede o no afectar al diseño de la maquina y repercutir o no en la aplicabilidad de las formulas para las bombas a los ventiladores, según que la variación de la densidad y por tanto de volumen especifico, sea o no importante. Si el gas puede considerarse prácticamente incompresible a su paso por la maquina, la teoría y funcionamiento del ventilador será idéntica a la de la bomba. Esto sucede cuando el incremento de las presiones es pequeña. Si el gas no puede considerarse incompresible, las formulas de las bombas no pueden ser aplicadas a los ventilador . Si el gas puede considerarse incompresible, la maquina se llama ventilador y si el gas ha de considerarse compresible, la maquina se llama turbocompresor . La línea de separación entre el ventilador y compresor es convencional. Antiguamente se decía que si p 1.000 mm de columna de agua, el efecto de la compresibilidad podría despreciarse y la maquina era un ventilador. Este límite sigue siendo válido para los ventiladores industriales de poca calidad, en que no se busca un rendimiento grande, sino un precio reducido; pero al crecer las potencias de los ventiladores con el desarrollo de las las técnicas de ventilación, refrigeración y a ire acondicionado, en los ventiladores de calidad dicho límite hay que establecerlo más bajo. Convencionalmente podemos establecer: Maquinas de poca calidad: p 100 mbar, ventilador p > 100 mbar, turbocompresor
Maquinas de alta calidad: p 30 mbar, ventilador p > 30 mbar, turbocompresor
Los ventiladores son turbomáquinas operativas hidráulicas en que el fluido es un gas. En general la finalidad de un ventilador es la de aumentar la presión y la velocidad del gas. Los ventiladores se clasifican como maquinas hidráulicas por el hecho que es despreciable la variación del volumen específico. Compresor es la turbomáquina, análoga a la anterior, pero que co munica al gas un incremento de presión tal que el influjo de la compresibilidad no puede despreciarse. En resumen:
En el cálculo y funcionamiento del ventilador el gas se supone incompresible. En el cálculo y funcionamiento del compresor el gas se supone compresible. El ventilador es una maquina hidráulica. El compresor es una maquina térmica. El ventilador nunca se refrigera porque al ser la compresión pequeña (teóricamente despreciable), el gas no se calienta. y El compresor con mucha frecuencia es refrigerado. y y y y y
Para ventilación de las las salas de trabajo y reuniones, asi asi como de minas, tuneles y barcos; para exhaustación de humos, aire con alto contenido de polvo, etc; para el secado en procesos industriales; industriales; para la refrigeració refrigeración n y acondicionamiento acondicionamiento de aire, etc., se necesitan grandes caudales de aire; pero con frecuencia las presiones son relativamente pequeñas. Por tanto, las maquinas para este tipo de servicio muchas veces se calculan como ventiladores (maquinas hidráulicas) sin tener en cuenta la co mpresibilidad del gas y por tanto sin tener en cuenta la variación de densidad y volumen especifico. Por el contrario, en las acererías y altos horno se requieren presiones mucho mayores, de 2 a 4 bar, para vencer la resistencia al flujo a través de las conducciones, toberas, etc. Por tanto, las maquinas para este tipo de servicio se calculan como compresores (maquinas térmicas), teniendo en cuenta la compresibilidad del gas, y por tanto teniendo en cuenta la variación de densidad y volumen especifico. Otra definición que se lo puede dar es la de 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. 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, polaridad, etc. y un propulsor giratorio en contacto con el air e, 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 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.
2. Clasificación de los Ventiladores: y
Clasificacion según la presión total desarrollada: o
o
Ventiladores de baja presión: presión total desarrollada inferior a 10 mbar. De media presión: presión total desarrollada superior a 10 e inferior a 30 mbar.
o
y
De alta presión: presión total desarrollada superior a 30 e inferior a 100 mbar. (En estos últimos el efecto de la compresibilidad ya es apreciable.)
Clasificación según la dirección del flujo: o
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. Los ventiladores centrífugos se adaptan a los tres tipos mencionados anteriormente de baja, media y alta presión. Los de baja presión a veces son de tipo Sirocco o de tambor. Consiste en un rotor encerrado en una envolvente de forma espiral; el aire, que entra a través del ojo del rotor paralelo a la flecha del ventilador, es succionado por el rotor y arrojado contra la envolvente se descarga por la salida en ángulo recto a la flecha; puede ser de entrada sencilla o de entrada doble. En un ventilador de entrada doble, el aire entra por ambos lados de la envolvente succionado por un rotor doble o por dos rotores sencillos montados lado a lado. Los rotores se fabrican en una gran variedad de diseños, pudiéndose clasificar, en general, en aquellos cuyas aspas son radiales, o inclinadas hacia adelante, o inclinadas hacia atrás del sentido de la rotación. Los rotores pueden tener los tres tipos de álabes que se representan en la Fig VI.1, y cuyas particularidades son las siguientes:
F ig VI.1.- Rodetes y t riángulos de salida de l os ventiladores centrífugos a) Con álabes curvados hacia adelante; b) Con álabes de salida radial; c) Con álabes curvados hacia atrás.
a) Alabes curvados hacia adelante, 2 > 90º.- Este tipo es poco frecuente en las bombas
centrífugas; en los ventiladores se emplea a causa del bajo nivel de ruido que presentan; otras características son:
- Gran número de álabes de 48 z6 0 - Para una velocidad determinada caudal superior y dimen siones menores que las de cualquier otro tipo de ventilador
- Rendimiento bajo, máximo del orden de 65 z7 5% por lo que en la actualidad este tipo de
ventilador centrífugo tiende a ser reemplazado por los modernos ventiladores axiales. b) Alabes de salida radial, F2 = 90º.- Tienen menor número de álabes que los anteriores;
se emplean para impulsar aire o gases sucios a elevada temperatura, gracias a la facilidad con que son eliminados los depósitos sólidos por la fuerza centrífuga. c) Alabes curvados hacia atrás, F2 < 90º. - Es el tipo normal de ángulo de salida en las
bombas centrífugas. Tienen mejor rendimiento que los anteriores, ya que si los antiguos álabes de chapa se reemplazan por los más modernos de perfil aerodinámico, se llega a alcanzar un rendimiento del orden del 90%. Su presión y gasto másico son inferiores para una misma velocidad de rotación y número de álabes que en el primer tipo. El nivel de ruido es bajo. La Fig VI.2 muestra las formas más corrientes de la admisión de los ventiladores.
F ig VI.2.- F ormas de la admisión de los ventiladores, a) Cilíndrica; b) Cónica; c) Abocinada; d) Compuesta; e) Guiada con álab es directores
- La construcción (a) es la más sencilla pero la de peor rendimiento. - La construcción (c) con una forma abocinada más aerodinámica permite conseguir una
entrada de la corriente en el rodete más uniforme, reduciéndose el choque a un mínimo. A veces se añade a la entrada, antes de la boca del ventilador, una caja como se mue stra en la Fig VI.3 o conducto de diferentes tipos, según lo requiera la instalación. La forma del anillo de fijación de los álabes puede influir en el rendimiento, como muestra la Fig VI.4. Sólo la forma (c) evita el desprendimiento de la corriente a la e ntrada, aunque las otras dos formas son de construcción más sencilla y económica.
F ig
VI.3.- Disposición de la caja de entrada o cámara de admisión de un ventilador: a) Correcta; b) Incorrecta
F ig
F ig
VI.4.- F ormas diversas del anillo de fijación de los álabes, a) Plano; b) Cónico; c) Aerodinámico (En las formas (a) y (b) el desprendimiento de la corriente ocurre fácilmente)
VI.5 .- Cámara espiral, 1 Sin lengua; 2 Con lengua poco pronunciada; 3 Con lengua pronunciada
La lengua de la caja espiral puede ser larga, corta o no existir, como se indica en el esquema de la Fig VI.5. Una lengua excesivamente corta es causa del aumento del ruido en los ventiladores, mientras que una lengua excesivamente larga provoca una disminución del rendimiento. Los ventiladores de alta presión son en ésto más sensibles a la variación del rendimiento. En la Fig VI.6 se presentan tres formas corrientes de la realización del difusor y en la Fig VI.7 las diferentes posiciones que puede tomar la salida del ventilador.
F ig
VI.6 .- Colocación del difusor a la salida del ventilador, a) Correcta; b) Incorrecta; c) Difusor simétrico.
F ig
VI.7.- Realizaciones diversas de la boca de salida del ventilador, a) A derechas; b) A izquierdas.
Los 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, R ADIALES 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 la renovación de los sistemas de calefacción, aire acondicionado o de aire, etc. No es recomendable utilizar este tipo de ventilador con aire polv oriento, 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. La Fig. 1 representa un ventilador centrifugo Sirocco de baja presión (5 mbar) con rodete de tipo tambor, construido por la casa Sulzer, para Q= 8000 m3/h, n= 720 rpm; D 2= 500 mm. En este ventilador: los alabes están curvados hacia adelante ( 2>90°); la embocadura de entrada es una tobera de perfil aerodinámico para reducir las pérdidas; la sección transversal de la caja espiral, construida de chapa reforzada con angulares, es rectangular; el rodete está instalado en voladizo. Carece de prensaestopas porque la presión es baja.
Fig 01
La Fig 02 representa un ventilador centrifugo de alta presión (70 mbar) construido también por la casa Sulzer, para Q= 16.000 m 3/h, n=2950 rpm; D 2= 700 mm. En este ventilador: los álabes están curvados hacia atrás ( 2<90°); la caja espiral es de fundición; el rodete también está instalado en voladizo. Tiene prensaestopas, porque las presiones son más elevadas.
Fig. 02
o
Ventiladores Axiales: Los ventiladores axiales se emplean para aquellas aplicaciones que piden elevadas salidas de aire con presiones estáticas re ducidas. La Fig. 03 representa un ventilador axial construido por la casa Siemens para ventilación de minas, con motor eléctrico refrigerador por aire, n=2900 rpm. Su rendimiento es elevado, 80%, gracias a que los ocho alabes de que consta su rodete de siluminio antideflagrante están diseñados como perfil de ala de avión.
Fig. 03
Existen tres tipos básicos de ventiladores axiales: Helicoidales, tubulares y tubulares con directrices. o
o
o
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 alabes: alabes de disco para ventiladores sin ningún conducto; y alabes estrechas para ventiladores que deban vencer resistencias bajas (menos de 25 Mm. c d a). 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. Consiste en una hélice dentro de un anillo o marco de montaje. La dirección de la corriente de aire es paralela a la flecha del ventilador. Se emplea para trasladar aire de un lugar a otro, o hacia el ambiente exterior, o para introducir aire fresco. Puede manejar grandes volúmenes de aire a una presión estática baja, raramente a presiones estáticas mayores de 25 mm de c.a. Se fabrica en muchos estilos y tipos para trabajos específicos.
o
o
o
o
o
Los ventiladores de extracción (extractores) de uso normal, pueden tener desde 2 hasta 16 aspas, dependiendo ello del funcionamiento particular del ventilador. Generalmente las unidades de poco número de aspas se usan en ventiladores de baja presión y los que cuentan con un número mayor de aspas se emplean en aquellas aplicaciones que requieren presión. El ancho de las aspas, su ángulo, su velocidad axial y número de etapas, son factores todos que intervienen en el diseño y la capacidad.
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 ende rezar el flujo de aire. Los ventiladores tubulares pueden mover aire venciendo resis tencias moderadas (menos de 50 Mm. cda). Los ventiladores tuboaxiales 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 600 Mm. cda).
Las directrices (compuertas) 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 fijas ó removibles. CIRCULACIÓN DEL AIRE El aire circula por un conducto gracias a la diferencia de presión que existe entre sus extremos. 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, las presiones obedecen al siguiente teorema: VENTILADORES OPERACIÓN.
AXIALES,
DESCRIPCIÓN
Y
CURVAS
DE
Los ventiladores axiales están compuestos básicamente de un rotor de dos a 13 paletas, solidario a un eje propulsor movido por un motor que impulsa aire en una trayectoria recta, con salida de flujo helicoidal. Existen 3 tipos básicos de estos ventiladores que son: y
TIPO PROPULSOR O DE PARED: Que es el típico ventilador para bodegas industriales, de baja presión estática (0,5 a 1,5 pulg. de columna de agua) con caudales variables según su diámetro.
y
TIPO TURBO ± AXIAL : Es aquel que tiene su rotor y motor dentro de una carcasa cilíndrica, lo que incrementa su capacidad y presión estática hasta valores de 6 pulg. columna de agua, apropia do para ser conectados a ductos, campanas, torres de enfriamiento, y para operar en serie.
y
TIPO VANE ± AXIAL: Es similar al anterior, pero además posee un juego de paletas guías fijas a la carcasa (vanes, venas) que le permite obtener una más alta presión estática de trabajo (de 6 a 13 ó más pulgadas de agua en casos de diseños especiales)
3.
Formulas de los Ventiladores:
Fuente: Claudio Mataix
4.
Curvas Caracteristicas de los Ventiladores:
Si consideramos el ventilador como una bomba rotodinámica de gas, el trazado de sus curvas características se puede hacer de la misma forma que el de las bombas centrífugas. Sin embargo, habrá que tener en cuenta las siguientes observaciones: - Las curvas (Hman, Q) se sustituyen por las curvas ( ptot, Q) siendo ptot la
presión total suministrada por el ventilador. Entre las variables Hman y ptot existe la relación: ptotal !V g Hman - Los valores medidos de Q y de ptot se suelen reducir a condiciones normales o a las standard. En un ensayo bien hecho siempr e hay que especificar a qué condiciones normales se refiere el ensayo, o al menos a qué presión barométrica y a qué temperatura ambiente se ha realizado. - En un gran número de aplicaciones interesa más la presión estática del ventilador que la presión total; en un ventilador con un sistema difusor eficiente la presión dinámica es muy pequeña y la pest se acerca mucho a la ptot. En la Fig VI.8 se han trazado las curvas características de cuatro tipos distintos de ventiladores, expresando todas las variables en % del valor nominal o de diseño, a fin de poder comparar más fácilmente los distintos tipos, observándose que: a) La potencia de accionamiento Na en los ventiladores de álabes curvados hacia adelante, Fig VI.8a, aumenta constantemente con el caudal (característica de potencia con sobrecarga); mientras que en los ventiladores con álabes curvados hacia atrás y en los ventiladores axiales la potencia no supera, Fig VI.8.d, o solo ligeramente (en un 10% aproximadamente en la Fig VI.8c, el valor en el punto nominal o de diseño. La sobrecarga se refiere al motor de accionamiento que en la Fig VI.8a deberá tener una reserva de potencia, incluso hasta el 100% de la potencia de accionamiento, si se prevé que la resi stencia de la red en algún caso pudiera disminuir excesivamente. La curva característica de potencia de los ventiladores de salida radial Fig VI.8b, presenta características intermedias entre las de los ventiladores con álabes curvados hacia adelante y hacia atrás, como era de esperar. La potencia absorbida en el arranque es mínima en los ventiladores centrífugos Fig VI.8a.b.c y máxima o casi máxima en los ventiladores axiales Fig VI.8d. Las curvas de la Fig VI.9 para un número de revoluciones n variable corresponden a un pequeño ventilador, para instalación en el techo, de potencia inferior a 1 kW. Los números sobre las curvas indican los valores en Db del ruido del ventilador cuando funciona en dicho punto. Las curvas de la Fig VI.10a son curvas de pest , ptot y pd , en función del caudal para un nº de revoluciones constante (2800 rpm) de un pequeño ventilador axial. La intensidad del ruido tiene un valor medio de 58 Db. En la Fig VI.10b se presentan las características del mismo ventilador a 1450 rpm con una intensidad media de ruido de 42 Db. En la Fig VI.11 se pueden ver las curvas de un ventilador axial para diferentes valores del ángulo de ataque del rodete.
F ig
VI.8.- Curvas características típicas de ventilador, a) Con álabes curvados hacia adelante; b) Con álabes de salida radial; c) Con álabes curvados hacia atrás; d) Con álabes axiales.
Los ventiladores axiales se pueden construir: - Con álabes del rodete fijos y álabes directrices orientables - Con álabes del rodete fijos sin álabes directrices orientables - Con álabes del rodete orientables y álabes directrices orientables - Con álabes del rodete orientables sin álabes directrices orientables
Los álabes se pueden orientar en marcha o estando el ventilador parado. Lo primero es más ventajoso y mucho más costoso. Las curvas de la Fig VI.11 pertenecen a un ventilador de este último tipo.
F ig
F ig
VI.9.- Curvas características de un ventilad or
VI.10.- Curvas características de un ventilador axial, a) a 2800 rpm; b) a 145 0 rpm
F ig
VI.11.- Curvas características de un ventilador axial con álabes del rodete orientables
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 lleva r 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.4 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.
FIG.4 REPRESENTACIÓN GRÁFICA DE LAS PRESIONES ESTÁTICAS
Tomando como referencia la figura anterior, 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.
5.
Los Ventiladores y el Ruido:
El ruido es el sonido que, por su tono, intensidad o duración, resulta desagradable al oído humano e incluso dañoso a su organismo. Los ventiladores son, con frecuencia, fuente de ruidos que atentan contra el confort del medio ambiente, por lo que su comportamiento acústico constituye muchas veces un factor decisivo en la selección del mismo. Relación entre la velocidad del sonido, longitud de onda y frecuencia. - Las
ondas longitudinales de presión que constituyen el sonido son sólo perceptibles por el oído humano si su frecuencia está comprendida entre 30 z10.000 Hz. La velocidad de propagación del sonido es la misma para todas las frecuencias y depende de la temperatura. En el aire, en condiciones normales, es aproximadamente de 340 m/seg. La longitud de onda depende d e la frecuencia según la relación:
Así para el umbral inferior de frecuencia de 30 Hz la longitud de onda en el aire es de 11,3 m y para el umbral superior de 10.000 Hz la longitud de onda es de 33,9 mm. Intensidad del sonido.- La intensidad de un sonido depende de la amplitud de la
onda acústica y se mide por la cantidad de energía transmitida. La energía irradiada por una fuente sonora se mide en ergios (gr. cm2/seg2) y la potencia irradiada en (gr. cm2/seg3.) La intensidad I del sonido es el fluj o de energía por segundo (potencia) a través de la unidad de superficie normal a la dirección de la propagación de la onda sonora; se mide en (W/cm2). En la práctica la unidad que se emplea para la medición de la intensidad del sonido es el decibel que es una unidad adimensional logarítmica. El 0 en la escala de decibeles corresponde al umbral de la audición que se fija en una presión acústica de 0,0002 dinas/cm2. Relacionando ahora cualquier intensidad de sonido I con la intensidad base I0, el número de decibeles con que se mide la intensidad I se define en la forma:
La escala logarítmica de intensidades es muy conveniente, porque entre los umbrales mínimo y máximo de la audición, la intensidad aumenta de 1 a 1012; cada decibel representa un aumento de in tensidad del 26%, que es aproximadamente la variación mínima de la intensidad que el oído puede detectar; de ahí su empleo universal en la técnica acústica. La Tabla VI.2 indica el valor en decibeles de la intensidad global de dos sonidos, de los que uno p uede ser el ruido de fondo existente y otro el del ventilador que se quiere instalar; de esta tabla se desprende lo siguiente:
a) El ruido de un ventilador no se percibe en absoluto cuando su nivel de sonido está 2 5 o más decibeles por debajo del ruido de fondo; en el caso en que su nivel de sonido sea igual que el ruido de fondo, sólo llega a destacar sobre este último un aumento de sólo 3,01 decibeles. b) Si el ruido del ventilador excede por lo menos en 1 5 decibeles al de la habitación, el ensayo del ventilador en dicha habitación es prácticamente el mismo que se obtendría en un cuarto aislado acústicamente. C ausas de ruido en ventiladores. - Los álabes de un ventilador crean a su
alrededor un campo de presión que varía de un punto a otro del espacio, originándose unas ondas acústicas que interaccionan entre sí, propagándose por el aire, las paredes, el suelo, y en general por la estructura del edificio. Las causas son: - La frecuencia fundamental del sonido del ventilador es igual al producto de su
velocidad de rotación por el nº de álabes del rodete - La intensidad del sonido producido directamente por los álabes es aproximadamente proporcional a la velocidad periférica de la punta de los álabes y a la quinta potencia del nº de revoluciones - Las intensidades de sonido de dos ventiladores geométricamente semejantes son directamente proporcionales a la séptima potencia de la relación de semejanza - La distancia excesivamente pequeña entre el borde de salida de los álabes del
rodete y la lengua de la caja espiral es causa de ruido. - El número de los álabes directrices fijos no debe ser igual ni múltiplo del de los álabes móviles - La corona difusora sin álabes produce menos ruido que la corona de álabes directrices - Las vibraciones forzadas de la carcasa y de los conductos de admisión y escape pueden ser origen de ruidos de gran intensidad, sobre todo en condiciones de resonancia - El desequilibrio estático y dinámico del motor , y la mala alineación de los cojinetes - El motor de accionamiento y los cojinetes de bolas, a bajo nº de revoluciones , son causa de ruido, por lo que utilizando cojinetes deslizantes se puede eliminar la causa - Al disminuir el rendimiento del ventilador para un mismo nº de rpm aumenta la intensidad del ruido.
En general los ventiladores mas eficientes producen un mínimo de ruido llevado por el aire; pero el ruido por vibración de las estructuras circundantes, el ruido mecánico ocasionado por la transmisión, y el motor, pueden ser más importantes en algunas situaciones. Por ello, los aspectos del ruido se deben considerar para cada caso como parte del problema global de la selección del ventilador y no en una forma general. Al comparar intensidades relativas del ruido, también es importante utilizar la medida uniforme de la potencia sonora nominal del ventilador (en watts o en d B), en vez de hacerlo con una medida no uniforme, como el nivel de presión del sonido en algún punto de referencia. Por último, una vez revisada la información anterior se puede d ecir que el ventilador encontrado en la cementera es de tipo centrífugo con alabes curvados hacia el frente, el cual presenta los siguientes parámetros:
6.
Caudal de 30,000 m3 / h. Presión de 30,000 Pascales.
Semejanza entre ventiladores y bombas Las características del funcionamiento de bombas y ventiladores centrífugos (es decir, maquinas fluídicas rotatorias) son descritas por las mismas leyes básicas y las ecuaciones que de ellas se deducen, por tanto se consideran junta. Ambas maquinas fluídicas proporcionan la energ ía de entrada para crear flujo y aumento de presión en sus respectivos sistemas de fluido (liquido o gas) y ambas se basan en el principio de aceleración de una masa fluídica como mecanismo para impartir esa energía. Si el incremento de presión a través de un ventilador es pequeño (5000 Pa), entonces es posible considerar al gas impulsado como un fluido incompresible, y las ecuaciones desarrolladas para describir el proceso serán las mismas que para las bombas. Los compresores se utilizan para obtener grandes incrementos de presión en un sistema de fluido gaseoso.
7. Elección de un ventilador El primer paso en la elección de un ventilador es concluir el diseño del sistema de conducción (tuberías o ductos) es decir, el sistema de fluido dentro del cual se colocara la maquina impulsora, que debe cumplir los requisitos de flujo y de presión desarrollada para el sistema de fluido. La presión generada corresponde a la energía que se imparte al fluido por medio de la maquina impulsora, y equivale a la energía de presión por unidad de volumen, Se expresa como una altura de columna de fluido H p (en metros). La cantidad H p es la llamada carga desarrollada. En consecuencia, es necesario reunir los siguientes datos antes de elegir el ventilador: Flujo (o gasto) máximo y variaciones que pueden esperarse.
y
y y y y
8.
Diseño detallado (incluyendo configuración y tamaño) del sistema de conducción, en el que se incluyan todas las conexiones, válvulas, reguladores, cambiadores de calor, filtros, etc. Localizacion exacta del ventilador en el sistema fluido, incluyendo su altura o elevación. Presion y temperatura del fluido al principio del sistema impulsor (succion o aspiración). Presion y temperatura del fluido al principio del sistema impulsor (succion o aspiración). Características físicas del fluido (densidad, viscosidad, tendencias a la corrocion y la erosion).
Efectos de la temperatura de los gases en las características del ventilador axial Es importante tener en cuenta que la temperatura del os gas es tiene un efecto directo en las características den ventilador axial como se puede observar en la tabla 1.1
Tabla 1.1 Viscosidad del Aire en función de la temperatura Temperatura de Aire °C Viscosidad Kg/Dm. -seg-x10-7 -18 146 43 173 93 196 149 216 204 235 260 254 316 273 En el diseño de ventiladores en general se debe tener en cuenta las leyes que lo rigen. Todas las leyes de los ventiladores se basan en las consideración fundamentales de u n rendimiento constante. Cuando se haga referencia a un tamaño determinado se hablara generalmente del diámetro del rotor, aunque se pueda usar cualquier sistem de números que sean proporcionales a las dimensiones de los ventiladores. Algunas de las leyes principales son: y y y
El gasto es directamente proporcional a la velocidad. La presión es proporcional al cuadrado de la velocidad. La potencia es proporcional al cubo de la v elocidad.
A presión, densidad y régimen constante, variando el tamaño: y El gasto y la potencia varian como en el cuadrado del tamaño. y La velocidad es inversamente proporcional al tamaño. A gasto y velocidad constante, variando la densidad del aire: La potencia y la presión son directamente proporcionales a la densidad del aire, es decir, directamente proporcional a la presión barométrica e inversamente con respecto a la temperatura absoluta. El resultado del funcionamiento obtenido con los ventiladores varian con los cambios de las condicione, como la temperatura, la velocidad la densidad del gas manipulado. Es importante tener esto en cuenta cuando se utilicen los datos de los catalogos de los fabricantes de ventiladores, ya que dichos datos suelen bas arse en condiciones normales supuestas, como 21.1 °C y 760 mm de Hg de presión barométrica, o en 20 °C y 50% de humedad relatuva, será necesario hacer correciones por las discrepancias con respecto a ellas. Las variaciones usuales en los ventiladores, cuando varia la velocidad: y La capacidad o flujo volumentrico varia directamente con la relación de velocidades. y La presión varia como el cuadrado de la relación de velocidades. y La potencia absirbida varia como el cubon de la relación de velocidades Variando la temperatura del aire o el gas : y La potencia y la presión varian en razón directa de la densidad (permaneciendo constantes la velocidad y la capacida). En el diseño de los ventiladores deberá tenerse en cuenta tanto las leyes como las variaciones de estos equipos distinguiéndose muy claramente que la presión estatica y el flujo volumétrico son las variables ma importantes en el dimensionamiento. 9.
Cantidad de aire de ventilación
Para calcular la cantidad de aire de ventilación necesaria para mantener la temperatura original de diseño de bulbo seco en el espacio, debe usarse la formula siguiente:
Donde: Q = cantida de aire de venti lación en el verano ft 3/min. (conversión al sistema métrico: ft3/min x 0.000472 = m 3/s) gti = ganancia total de calor para el espacio interno, Btu/h (personas + luces + proceso) to = temperatura de diseño del bulbo seco del aire exterior, en °F
En este procedimiento debe repetirse para cada uno de los espacios dentro de la estructura. Para conservar la energía, la ventilación adicional necesaria en los meses de verano deberá suministrarse mediante ventiladores de dos velocidades o ventiladores de extracción adicionales que se usaran solo cuando haga calor. A medida que el diferencial de temperatura entre el espacio.
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Limpieza de los ventiladores
Para un funcionamiento eficiente es necesario limpiar periódicamente las aspas y las envolturas de los ventiladores; la acumulación de materias extrañas en las aspas de una hélice disminuye la eficiencia de la unidad y puede llegar a desequilibrarlas. Un caso extremo lo ofrece la caseta rociadora de pintura, en las que gran cantidad del material rociado p asa a través del ventilador; las pinturas se acumulan en los apoyos del aspa del ventilador y en los conductos. Para proteger los ventiladores y poderlos lavar fácilmente, existen revestimientos que se aplican a los ventiladores limpios y luego, cuando haya una acumulación suficiente, se lavan con agua o se les despoja de la capa de pintura. El ventilador centrífugo de aspas curvas hacia adelante, de gran cantidad de álabes, es especialmente susceptible a la acumulación de pelusas y polvos y que, a menos que se les elimine, pronto desequilibran las aspas. En esta limpieza hay que comprobar que las aspas no estén dañadas, y no utilizar herramientas que las puedan dañar pues es fácil causar grietas o doblarlas o desequilibrarlas. Si se usan rejillas en la succión y en la descarga de un ventilador, hay que procurar que no estén tapadas o sucias por cuanto la acumulación de suciedad, pelusas, hojarascas y desperdicios afectará materialmente al funcionamiento del ventilador. Donde existan condiciones de humedad, de ácidos o de abrasivos, o en cualquier aplicación donde se note que la envoltura del ventilador y del rotor se han corroído, la unidad se debe cepillar con cepillo de alambre y pintar con un material que soporte esas condiciones particulares de que se trata. La pintura se debe aplicar con cuidado en las aspas o rotores para asegurar que no afecte el balanceo.
11. Bibliografia: o o o o o
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Turbomáquinas ± Dr. Giovanni Zucchy Claudio Mataix - Mecanica de Fluidos y Maquinas hidráulicas http://libros.redsauce.net/ Tesis ingeniería Mecanica Morales Rodriguez ± Ventiladores http://www.quiminet.com/ar6/ar_zgtRsDFzgt -los-ventiladores industriales.htm http://itzamna.bnct.ipn.mx:8080/dspace/bitstream/123456789/6546/1/CO NTROLRUIDO.pdf
