Ventiladores para sistemas de ventilación canalizados
Este módulo analiza los ventiladores centrífugos y axiales utilizados en sistemas de ventilación canalizados y considera aspectos seleccionados, incluidas sus características y atributos operativos.
Los dos tipos comunes de ventiladores utilizados en sistemas de conductos en edificaciones se denominan ventiladores centrífugos y axiales, nombre que deriva de la dirección que define el flujo de aire a través del ventilador. Estos dos tipos se dividen en varios subtipos desarrollados para proporcionar características específicas de caudal/presión, así como otros atributos operativos (como tamaño, ruido, vibración, facilidad de limpieza, mantenimiento y robustez).
Tabla 1: Datos de eficiencia máxima de ventiladores publicados en EE. UU. y Europa para ventiladores de >600 mm de diámetro
Algunos de los tipos de ventiladores más comunes en sistemas de climatización (HVAC) se enumeran en la Tabla 1, junto con las eficiencias máximas indicativas obtenidas¹ de datos publicados por diversos fabricantes estadounidenses y europeos. Además, el ventilador de enchufe (una variante del ventilador centrífugo) ha ganado popularidad en los últimos años.
Figura 1: Curvas genéricas de ventiladores. Los ventiladores reales pueden diferir considerablemente de estas curvas simplificadas.
Las curvas características del ventilador se muestran en la Figura 1. Estas son curvas exageradas e idealizadas, y los ventiladores reales pueden diferir de ellas; sin embargo, es probable que presenten características similares. Esto incluye las áreas de inestabilidad debidas a la oscilación, donde el ventilador puede alternar entre dos caudales posibles a la misma presión, o como consecuencia del estancamiento del ventilador (véase el recuadro "Estancamiento del flujo de aire"). Los fabricantes también deben identificar los rangos de funcionamiento "seguros" preferidos en su documentación.
ventiladores centrífugos
En los ventiladores centrífugos, el aire entra en el impulsor a lo largo de su eje y se descarga radialmente gracias al movimiento centrífugo. Estos ventiladores pueden generar altas presiones y caudales elevados. La mayoría de los ventiladores centrífugos tradicionales están alojados en una carcasa de tipo espiral (como se muestra en la Figura 2) que dirige el aire en movimiento y convierte eficientemente la energía cinética en presión estática. Para mover más aire, el ventilador puede diseñarse con un impulsor de doble ancho y doble entrada, que permite la entrada de aire por ambos lados de la carcasa.
Figura 2: Ventilador centrífugo en carcasa de espiral, con impulsor inclinado hacia atrás
Existen diversas formas de álabes que pueden conformar el impulsor, siendo los tipos principales los de curvatura hacia adelante y hacia atrás. La forma del álabes determinará su rendimiento, eficiencia potencial y la forma de la curva característica del ventilador. Otros factores que afectan la eficiencia del ventilador son el ancho de la rueda del impulsor, el espacio libre entre el cono de entrada y el impulsor giratorio, y el área utilizada para expulsar el aire del ventilador (la llamada "zona de soplado").
Este tipo de ventilador se ha accionado tradicionalmente mediante un motor con correa y polea. Sin embargo, con la mejora de los controles electrónicos de velocidad y la mayor disponibilidad de motores conmutados electrónicamente (EC o sin escobillas), los accionamientos directos se utilizan con mayor frecuencia. Esto no solo elimina las ineficiencias inherentes a una transmisión por correa (que pueden variar entre un 2 % y más del 10 %, según el mantenimiento²), sino que también es probable que reduzca la vibración, el mantenimiento (menos rodamientos y requisitos de limpieza) y haga que el conjunto sea más compacto.
Ventiladores centrífugos curvados hacia atrás
Los ventiladores de curvatura inversa (o "inclinados") se caracterizan por aspas que se inclinan en sentido contrario a la dirección de rotación. Pueden alcanzar eficiencias de hasta el 90 % al utilizar aspas aerodinámicas, como se muestra en la Figura 3, o con aspas lisas tridimensionales, y ligeramente menores al utilizar aspas lisas de curvatura, y aún menores al utilizar aspas planas simples de inclinación inversa. El aire sale de las puntas del impulsor a una velocidad relativamente baja, por lo que las pérdidas por fricción dentro de la carcasa son bajas y el ruido generado por el aire también lo es. Pueden entrar en pérdida en los extremos de la curva de funcionamiento. Los impulsores relativamente más anchos ofrecen las mayores eficiencias y permiten utilizar fácilmente las aspas aerodinámicas más gruesas. Los impulsores delgados se benefician poco del uso de aspas aerodinámicas, por lo que tienden a utilizar aspas planas. Los ventiladores de curvatura inversa destacan por su capacidad para producir altas presiones con bajo nivel de ruido y por su característica de potencia sin sobrecarga; esto significa que, a medida que disminuye la resistencia en un sistema y aumenta el caudal, disminuye la potencia consumida por el motor eléctrico. La construcción de los ventiladores de curvatura inversa suele ser más robusta y bastante más pesada que la de los ventiladores de curvatura frontal, menos eficientes. La velocidad relativamente lenta del aire a través de las aspas puede permitir la acumulación de contaminantes (como polvo y grasa).
Figura 3: Ilustración de los impulsores del ventilador centrífugo
Ventiladores centrífugos de curvatura hacia adelante
Los ventiladores de curvatura hacia adelante se caracterizan por un gran número de álabes de curvatura hacia adelante. Dado que suelen producir presiones más bajas, son más pequeños, ligeros y económicos que los ventiladores de curvatura hacia atrás con motor equivalente. Como se muestra en las Figuras 3 y 4, este tipo de impulsor incluye más de 20 álabes, que pueden fabricarse simplemente a partir de una sola lámina metálica. Se obtienen mejores eficiencias en tamaños mayores con álabes formados individualmente. El aire sale de las puntas de los álabes a una alta velocidad tangencial, y esta energía cinética debe convertirse en presión estática en la carcasa, lo que reduce la eficiencia. Se utilizan típicamente para volúmenes de aire bajos a medios a baja presión (normalmente <1,5 kPa), y tienen una eficiencia relativamente baja, inferior al 70 %. La carcasa de espiral es especialmente importante para lograr la mejor eficiencia, ya que el aire sale de la punta de los álabes a alta velocidad y se utiliza para convertir eficazmente la energía cinética en presión estática. Funcionan a bajas velocidades de rotación y, por lo tanto, los niveles de ruido mecánico generado tienden a ser menores que los de los ventiladores de curvatura hacia atrás de mayor velocidad. El ventilador tiene una característica de potencia de sobrecarga cuando funciona contra resistencias bajas del sistema.
Figura 4: Ventilador centrífugo curvado hacia adelante con motor integrado
Estos ventiladores no son adecuados cuando, por ejemplo, el aire está muy contaminado con polvo o arrastra gotas de grasa.
Figura 5: Ejemplo de ventilador enchufable de accionamiento directo con aspas curvadas hacia atrás
Ventiladores centrífugos de palas radiales
El ventilador centrífugo de aspas radiales tiene la ventaja de poder mover partículas de aire contaminado a altas presiones (del orden de 10 kPa). Sin embargo, al funcionar a altas velocidades, es muy ruidoso e ineficiente (<60 %), por lo que no debe utilizarse en sistemas de climatización (HVAC) de uso general. Además, presenta una característica de sobrecarga: al reducirse la resistencia del sistema (quizás al abrir las compuertas de control de volumen), la potencia del motor aumenta y, dependiendo del tamaño del motor, puede llegar a sobrecargarse.
Ventiladores enchufables
En lugar de montarse en una carcasa de espiral, estos impulsores centrífugos de diseño específico pueden instalarse directamente en la carcasa de la unidad de tratamiento de aire (o, de hecho, en cualquier conducto o cámara de distribución), y su coste inicial probablemente sea inferior al de los ventiladores centrífugos con carcasa. Conocidos como ventiladores centrífugos "plenum", "plug" o simplemente "sin carcasa", estos ventiladores ofrecen ventajas de espacio, pero a costa de una pérdida de eficiencia operativa (las mejores eficiencias son similares a las de los ventiladores centrífugos con carcasa de curvatura hacia adelante). Los ventiladores aspiran aire a través del cono de entrada (de la misma forma que un ventilador con carcasa), pero luego lo descargan radialmente alrededor de los 360° de la circunferencia exterior del impulsor. Ofrecen una gran flexibilidad en las conexiones de salida (desde la cámara de distribución), lo que significa que se reducen las curvas adyacentes o las transiciones bruscas en los conductos, que aumentarían la caída de presión del sistema (y, por lo tanto, la potencia adicional del ventilador). La eficiencia general del sistema puede mejorarse mediante el uso de entradas acampanadas en los conductos que salen del plenum. Una de las ventajas del ventilador de tapón es su mejor rendimiento acústico, debido principalmente a la absorción acústica dentro del plenum y a la ausencia de trayectorias de visibilidad directa desde el impulsor hasta la boca de los conductos. La eficiencia dependerá en gran medida de la ubicación del ventilador dentro del plenum y de su relación con su salida, ya que el plenum se utiliza para convertir la energía cinética del aire y, por lo tanto, aumentar la presión estática. El rendimiento y la estabilidad de funcionamiento, sustancialmente diferentes, dependerán del tipo de impulsor. Los impulsores de flujo mixto (que proporcionan una combinación de flujo radial y axial) se han utilizado para solucionar los problemas de flujo derivados del fuerte patrón de flujo radial creado con impulsores centrífugos simples3.
Para unidades más pequeñas, su diseño compacto a menudo se complementa mediante el uso de motores EC fácilmente controlables.
Ventiladores axiales
En los ventiladores de flujo axial, el aire circula a través del ventilador en línea con el eje de rotación (como se muestra en el ventilador axial tubular simple de la Figura 6). La presurización se produce mediante sustentación aerodinámica (similar a la del ala de un avión). Estos ventiladores pueden ser comparativamente compactos, económicos y ligeros, especialmente adecuados para mover aire a presiones relativamente bajas, por lo que se utilizan con frecuencia en sistemas de extracción donde las caídas de presión son menores que en los sistemas de suministro. Este último normalmente incluye la caída de presión de todos los componentes del aire acondicionado en la unidad de tratamiento de aire. Cuando el aire sale de un ventilador axial simple, se arremolina debido a la rotación que se le imparte al pasar por el impulsor. El rendimiento del ventilador puede mejorarse significativamente mediante álabes guía posteriores para recuperar la turbulencia, como en el ventilador axial de álabes mostrado en la Figura 7. La eficiencia de un ventilador axial se ve afectada por la forma del aspa, la distancia entre la punta del aspa y la carcasa circundante, y la recuperación de la turbulencia. El paso del aspa se puede modificar para variar eficientemente la potencia del ventilador. Invirtiendo la rotación de los ventiladores axiales, también se puede invertir el flujo de aire, aunque el ventilador estará diseñado para funcionar en la dirección principal.
Figura 6: Un ventilador de flujo axial tubular
La curva característica de los ventiladores axiales tiene una región de bloqueo que puede hacerlos inadecuados para sistemas con un rango muy variable de condiciones de funcionamiento, aunque tienen el beneficio de una característica de potencia sin sobrecarga.
Figura 7: Un ventilador de flujo axial de paletas
Los ventiladores axiales de paletas pueden ser tan eficientes como los ventiladores centrífugos curvados hacia atrás y son capaces de producir altos caudales a presiones razonables (normalmente alrededor de 2 kPa), aunque es probable que generen más ruido.
El ventilador de flujo mixto es una evolución del ventilador axial y, como se muestra en la Figura 8, cuenta con un impulsor cónico donde el aire se aspira radialmente a través de los canales de expansión y luego se hace pasar axialmente a través de los álabes guía enderezadores. Esta acción combinada puede generar una presión mucho mayor que la de otros ventiladores de flujo axial. La eficiencia y los niveles de ruido pueden ser similares a los de un ventilador centrífugo de curva inversa.
Figura 8: Ventilador en línea de flujo mixto
La instalación del ventilador
Los esfuerzos por proporcionar una solución de ventilación eficaz pueden verse gravemente socavados por la relación entre el ventilador y los conductos de aire locales.
Hora de publicación: 07-ene-2022