Contenido. 1. INTRODUCCIN. 2. COMPRESIBILIDAD DEL GAS. 3. RUIDO DE LOS VENTILADORES. 3.1. ORIGEN DEL RUIDO DE LOS VENTILADORES. 4. PARTICULARIDADES DE DISEO. 4.1. VENTILADORES CENTRFUGOS. 5. CURVAS CARACTERSTICAS DE LOS VENTILADORES. 6. FUNCIONAMIENTO DE VENTILADORES CON GASES CON

PARTCULAS EN SUSPENSIN.

1. Introduccin.

El ventilador es una turbomquina que sirve para transportar gases, siendo las variaciones de presin en su interior suficientemente pequeas como para poder suponer que el gas se comporta como incompresible. Por tanto, se puede decir que todas las teoras relativas al diseo y funcionamiento de bombas son aplicables a los ventiladores. Aunque existen ciertas particularidades relativas a los ventiladores que se van a revisar en este captulo. Frmula fundamental:

Energa especfica

'

'

P g H para bombas

P V para ventiladores

U

U12

2

La altura H no tiene significado fsico en ventiladores. El tubo de pitot determina la altura dinmica mientras que la altura geodsica gz es despreciable.

Captulo 16: Ventiladores.

Ventiladores. 2

2. Compresibilidad del gas.

Siempre que se verifique que el nmero de Mach1 es menor que 0.3, podremos tratar al fluido como incompresible. Para el aire, esto significa que 'U d 5% U. Si el fluido se comporta como incompresible, el trabajo til por unidad de gasto ser -'P/U.

y si es compresible: - ' h P P P

JJ U

J J1

11 2 11

El funcionamiento de un ventilador depende mucho del estado atmosfrico, es decir de la presin y la temperatura ambiente. Por eso sus condiciones de funcionamiento se han de referir a unas condiciones de funcionamiento de referencia. * Condiciones Normales: PN = 760 mm Hg., TN = 0 C UN(aire) = 1.293 Kg/m3 * Condiciones Standard: PS = 760 mm Hg., TS = 20 C US(aire) = 1.206 Kg/m3 El gasto y la altura suministrados por el ventilador deben ser independientes de las condiciones ambientales en las que trabaje por tanto:

G = UN QN = U Q Q QN N UU

U' U

' PPgHN

N ' 'P PN

N UU

3. Ruido de los ventiladores.

En primer lugar se definen algunos conceptos bsicos relacionados con la acstica: x El Ruido, es un sonido que por su tono, amplitud (intensidad), o duracin resulta

desagradable al odo humano e incluso perjudicial para el organismo. El rango frecuencias sonoras es de 30-10.000 Hz.

x La intensidad, I, de un sonido depende de la amplitud de la onda acstica y se mide por la cantidad de energa transmitida. Se puede definir como el flujo de energa por segundo a travs de la unidad de superficie normal a la direccin de propagacin de la onda sonora. (I >=@ W/m2 o Erg/(s cm2)).

x La presin acstica, Pa, posee dimensiones de presin (Pa >=@ N/m2 o Dina/cm2). Esta magnitud est relacionada con la intensidad acstica mediante la expresin:

a

2aPI U

donde a es la velocidad sonido.

1 El nmero de Mach es la relacin entre la velocidad del fluido y la velocidad de propagacin del sonido en el fluido considerado.

XI. Ventiladores. 3

x El decibelio, D, se utiliza en la prctica como unidad de la intensidad acstica. Se define D como la intensidad acstica expresada en decibelios mediante la ecuacin:

D =10 log II0

donde I0 es la intensidad acstica umbral asociada a la presin acstica PaU = 2 10-4 Din cm2 .

Ejemplo: 100 instrumentos suenan solo el doble que 10. x La Sonoridad, es un parmetro subjetivo que depende del comportamiento del odo

humano. Depende de la intensidad y de la frecuencia, cuanto mayor es la frecuencia ms sonoro es el sonido.

3.1. Origen del ruido de los ventiladores.

Los labes de los ventiladores crean a su alrededor un campo de presin, distinto en cada punto del espacio, es decir, originan ondas acsticas las cuales interaccionan entre si y se propagan por el aire y por la estructura del ventilador. Este campo de presin, es un ruido, y depende de variables de diseo tales como:

forma o geometra, tamao, paso o nmero de labes del rodete, labes, holguras de la corona fija y de la caja espiral, de los materiales empleados, gas impulsado y su estado trmico.

Actualmente no se ha logrado elaborar una teora universalmente aceptada sobre las causas del ruido en los ventiladores, por lo que se sigue recurriendo a la investigacin experimental. La aerodinmica, no obstante, ha contribuido a esclarecer algunas de las causas del ruido, sobre todo para ventiladores axiales. De los ensayos realizados se han logrado establecer las siguientes conclusiones: x La frecuencia fundamental del sonido del ventilador, es igual al producto de su velocidad

de rotacin por el nmero de labes del rodete. x La intensidad del sonido producido por los labes es aproximadamente proporcional a la

velocidad perifrica de la punta del labe, algunos teoremas demuestran: I | Z5

II

dd

1

2

1

2

7

|

para ventiladores geomtricamente semejantes.

x El numero de labes fijos no debe ser igual ni mltiplo del nmero de los alabes mviles. Una corona difusora sin labes es mucho menos ruidosa.

x Las vibraciones de la carcasa, impulsin o admisin son fuente importante de ruido. Deben evitarse los desprendimientos de la corriente.

x Desequilibrios importantes producen ruidos.

Ventiladores. 4

x Al disminuir el rendimiento habitualmente aumenta el ruido.

4. Particularidades de diseo.

Los objetivos a conseguir con un buen diseo de ventiladores sern: ptimo rendimiento. Mnimo nivel de ruido. Gran caudal y potencia especfica. Curvas caractersticas planas.

4.1. Ventiladores centrfugos.

Los rodetes de los ventiladores centrfugos pueden tener los tres tipos de labes que se han estudiado. a) Alabes curvados hacia adelante ( E2 > 90)

Este tipo poco frecuente en las bombas hidrulicas, se emplean en los ventiladores a causa del bajo nivel de ruidos que presentan. Caractersticas:

1. elevado nmero de labes (48 a 60), 2. para Z = cte. permiten menores dimensiones y mayor altura, 3. rendimiento bajo 65 y 75%, 4. tienden a ser reemplazados por los axiales.

b) Alabes de salida radial (E2 = 90) Se emplean para impulsar aire o gases sucios ya que la fuerza centrfuga elimina fcilmente depsitos slidos. Caractersticas:

Menor nmero de labes que los anteriores. c) Alabes curvados hacia atrs (E2 < 90)

Caractersticas: 1. Mejor rendimiento que los otros dos anteriores. Pudiendo alcanzar del

orden del 90% si los labes de chapa se sustituyen por perfiles aerodinmicos.

2. Pasa una misma velocidad de rotacin y nmero de labes proporcionan un menor caudal y 'P.

En estos ventiladores, el coeficiente de presin, < ' 2 22P Uu U , puede oscilar entre 0.8 y 3. Con valores bajos 0.8 y 1, se pueden conseguir en determinados diseos rendimientos de hasta el 90%, pero a costa de regmenes de giro elevados y como a igualdad de potencia, el tamao es proporcional a 1 < , estos ventiladores son de gran tamao y por

XI. Ventiladores. 5

tanto, muy ruidosos. Con valores de < ! 2 se consiguen ventiladores muy silenciosos, pero con bajo rendimiento (aplicaciones: ventilacin y aire acondicionado). El coeficiente del caudal M

2 2 2 V U

m tiene un valor comprendido entre 0.1 y 0.4.

Para obtener un buen rendimiento se debe verificar la inecuacin: 102 t< M .

5. Curvas caractersticas de los ventiladores.

El trazado de las curvas caractersticas de un ventilador puede hacerse de la misma manera que el de las bombas. Sin embargo se tendrn en cuenta en dicho trazado las observaciones siguientes: 1. Las curvas H-Q se sustituyen por las curvas 'Ptot-Q (donde 'Ptot es la presin total

suministrada por el ventilador). Entre las variables H y 'Ptot existe la relacin 'Ptot = U g H.

2. Los valores de Q y de 'Ptot medidos se suelen reducir a las condiciones normales o a condiciones standard mediante las leyes de semejanza. En un ensayo correctamente presentado se debe siempre indicar respecto a qu condiciones de referencia se dan los resultados, o al menos a qu presin baromtrica y a qu temperatura ambiente se ha realizado ste.

3. En un gran nmero de aplicaciones al ingeniero le interesa ms la presin esttica del ventilador que la presin total. En un ventilador con un sistema difusor eficiente la presin dinmica es muy pequea y 'Pest se acerca mucho a 'Ptot. Es frecuente incluir en las caractersticas del ventilador dos curvas distintas de presiones:

'Ptot = 'Ptot (Q) 'Pest = 'Pest (Q)

as como dos curvas distintas de rendimientos: K tot = K tot (Q) Kctot = Kctot (Q)

donde Ktot y Kctot son los rendimientos totales referidos a las presiones totales y estticas respectivamente.

En la figura 25.1 se han trazado las caractersticas de cuatro tipos distintos de ventiladores expresando todas las variables en tanto por ciento del valor ptimo o de diseo, a fin de establecer ms fcilmente la comparacin entre los distintos tipos. Como puede comprobarse en la figura 25.1: x La potencia de accionamiento en los ventiladores de labes curvados hacia adelante,

figura 25.1a, aumenta constantemente con el caudal (caracterstica de potencia con sobrecarga); mientras que en los ventiladores con labes curvados hacia atrs, figura 25.1c, y en los ventiladores axiales, figura 25.1d, la potencia no supera o solo lo hace ligeramente (en un 10% aproximadamente) el valor en el punto de diseo. El nombre de sobrecarga se refiere al motor de accionamiento que en la figura 25.1a deber tener una reserva de potencia, incluso hasta el 100% de la potencia de accionamiento, si se

Ventiladores. 6

prev que la resistencia de la red en algn caso pudiera disminuir excesivamente con el consiguiente aumento de caudal. La caracterstica de potencia de los ventiladores de salida radial, figura 25.1b, presenta, como era de esperar, un carcter intermedio entre las de los ventiladores con labes curvados hacia adelante y hacia atrs.

x La potencia absorbida en el arranque es mnima en los ventiladores centrfugos, figuras 25.1a, b y c, y mxima o casi mxima en los ventiladores axiales, figura 25.1d.

En las figuras 25.2 a 25.5 se muestran algunos ejemplos tpicos de presentacin de las curvas caractersticas de los ventiladores: x La figura 25.2 muestra las curvas 'Pest = f(Q) para diferentes regmenes de giro

correspondientes a un pequeo ventilador, para una instalacin en el techo, de potencia inferior a 1 KW. Los nmeros sobre las curvas indican los valores en Db del ruido del ventilador cuando funciona en dicho punto.

x Las curvas de la figura 25.3, son curvas de 'Pest , 'Ptot y 'Pdin, en funcin del caudal para 2800 rpm de un pequeo ventilador axial. La intensidad del ruido tiene un valor

Fig. 25. 1.- Curvas caractersticas tpicas: a) labes curvados hacia adelante, b) radiales, c) curvados hacia atrs, d)

axiales.

XI. Ventiladores. 7

medio de 58 Db. Estos pequeos ventiladores se accionan frecuentemente con motor de polos conmutables de 2 revoluciones. En la figura 25.3b, pueden verse las caractersticas del mismo ventilador a 1450 rpm con una intensidad media de ruido de 42 Db.

x Las curvas de la figura 25.4 pertenecen a un ventilador Sirocco con 72 labes en el rodete. La zona sombreada es la zona de funcionamiento recomendada, en la cual el rendimiento conserva un valor aceptable.

x En la figura 25.5 pueden verse las curvas de un ventilador axial 'Ptot = f(Q) para diferentes valores del ngulo M del rodete. Segn los tamaos este tipo de ventilador absorbe una potencia que oscila entre los 18 y 71 KW.

Los ventiladores axiales pueden construirse: * con labes del rodete fijos sin labes directrices orientables, * con labes del rodete fijos y labes directrices orientables, * con labes del rodete orientables sin labes directrices orientables y * con labes del rodete orientables y labes directrices orientables. Los labes pueden orientarse en marcha o estando el ventilador parado. Lo primero es mucho ms ventajoso pero es mucho ms costoso. Las curvas de la figura 25.5 pertenecen a un ventilador del ltimo tipo.

Fig. 25. 2.- Ventilador pequeo. Fig. 25. 3.- Ventilador axial.

Fig. 25.4.- Ventilador Sirocco. Fig.25.5.- Ventilador axial de labes orientables.

Ventiladores. 8

La clasificacin de los ventiladores segn su tipo de funcionamiento es: funcionamiento como soplante, aspirando gas a la presin atmosfrica Patm e

impulsndolo a mayor presin, funcionamiento como exhaustor, aspirando gas a una presin inferior a la atmosfrica

e impulsndolo hasta la presin atmosfrica, y funcionamiento como soplante y como exhaustor al mismo tiempo. En los tres casos la altura efectiva H, as como la altura dinmica, la esttica y el caudal Q desarrollado por el ventilador en condiciones de ptimo rendimiento son idnticos; pero al variar la densidad en cada caso las presiones estticas, dinmicas y totales sern distintas en cada caso. Esto se ha de tener presente en el trazado de las curvas caractersticas, ya que, como hemos dicho, en las ventilador no suelen utilizarse como variables las alturas sino las presiones. Es fcil, sin embargo, conocido un punto cualquiera de la curva caracterstica del ventilador trabajando, por ejemplo, como soplante, hallar el punto correspondiente de la misma trabajando como exhaustor. En efecto, se tiene:

gH P Pest est est ' 'U U

''

donde los valores sin (') denotan condiciones de funcionamiento como soplante y con (') implica funcionamiento como exhaustor, mientras que U Uy ' son valores medios de las densidades en cada caso. Se tiene, pues:

P P P P P PP P

atm atm atm

atm

2 1 2

1

U UUU

gH (soplante) gH (exhaustor)est est

'' ' '

habiendo supuesto que:

UU

UU' '

donde U y Uc son los valores iniciales de la densidad en cada caso. Ahora bien por la ecuacin de los gases perfectos, considerado la compresin aproximadamente isoterma:

UU'

'' '

|P TP T

PP

atm atm

atm

1

1 1

Luego:

P PP P

PP

P PP

atm

atm

atm atm2

1 11

2

2

' ' '

Esta frmula permite obtener el punto de ptimo funcionamiento, punto A en la figura 25.6, como se indica all mismo. O bien aplicando esta ecuacin pasar fcilmente de una caracterstica a otra.

XI. Ventiladores. 9

Ejemplo: Un ventilador funcionando como soplante aspira a la presin atmosfrica Patm = 10000 mm.c.a. un caudal de 3 m3/s creando una presin esttica 'Pest = 400 mm.c.a. para calcular 'P'est. se proceder as:

P2 = 10.000 + 400 = 10.400 mm.c.a.

P mm c a' ..

. . .1210 000

10 4009615

y finalmente: 'P' = Patm - P'1 = 10.000 - 9615 = 385 mm.c.a.

6. Funcionamiento de ventiladores con gases con partculas en suspensin.

Cada vez es mayor el numero de aplicaciones que utilizan ventiladores para impulsar gases con partculas en suspensin tales como: extraccin de polvo, transporte neumtico, sistemas de pulverizacin, etc. El diseo de este tipo de ventiladores se corresponde con el de ventiladores de alto incremento de presin. Los labes son diseados y construidos bajo la premisa de una elevada resistencia a la abrasin, por lo que se utilizan rodetes de tipo abierto o semiabierto con el mnimo nmero de labes posible. El efecto de las partculas en suspensin sobre las prestaciones del ventilador se puede cuantificar de forma simplificada mediante el uso de una densidad de mezcla:

Ump g

g

G GG

donde Gg y Gp son el gasto msico de gas y de las partculas respectivamente. Esta es una visin muy simplificada, y no se puede olvidar que pueden aparecer fenmenos que alteren radicalmente el comportamiento de la instalacin, tales como la sedimentacin de partculas y la coalescencia entre stas.

Fig. 25. 6.- Curvas de soplante y

exahustor.

Bibliografa: CHERKASSKI, CAPS. 5 Y 7.2. MATAIX, CAPS. 14 Y 18.5. PFLEIDERER, 43 A 45.