Un ventilador centrífugo es un dispositivo mecánico para mover aire u otros gases en una dirección en un ángulo con respecto al fluido entrante. Los ventiladores centrífugos a menudo contienen una carcasa con conductos para dirigir el aire saliente en una dirección específica o a través de un disipador de calor ; a este tipo de ventilador también se lo llama soplador , ventilador soplador o ventilador de jaula de ardilla (porque parece una rueda de hámster ). Los pequeños que se usan en las computadoras a veces se denominan sopladores de galletas . Estos ventiladores mueven el aire desde la entrada giratoria del ventilador hasta una salida. Por lo general, se usan en aplicaciones con conductos para extraer aire a través de conductos/intercambiadores de calor o empujar el aire a través de impulsores similares . [1] En comparación con los ventiladores axiales estándar , pueden proporcionar un movimiento de aire similar desde un paquete de ventilador más pequeño y superar una mayor resistencia en las corrientes de aire. [2]
Los ventiladores centrífugos utilizan la energía cinética de los impulsores para mover la corriente de aire, que a su vez se mueve contra la resistencia causada por conductos, compuertas y otros componentes. Los ventiladores centrífugos desplazan el aire radialmente, cambiando la dirección (normalmente 90°) del flujo de aire. Son robustos, silenciosos, fiables y capaces de funcionar en una amplia gama de condiciones. [3]
Los ventiladores centrífugos son, al igual que los ventiladores axiales, dispositivos de volumen constante, lo que significa que, a una velocidad constante del ventilador, un ventilador centrífugo mueve un volumen de aire relativamente constante en lugar de una masa constante. Esto significa que la velocidad del aire en un sistema es fija, pero la masa real de aire que fluye variará en función de la densidad del aire. Las variaciones en la densidad pueden ser causadas por cambios en la temperatura del aire entrante y la elevación sobre el nivel del mar, lo que hace que estos ventiladores no sean adecuados para aplicaciones en las que se requiere proporcionar una masa de aire constante. [4]
Los ventiladores centrífugos no son dispositivos de desplazamiento positivo y los ventiladores centrífugos tienen ciertas ventajas y desventajas en comparación con los sopladores de desplazamiento positivo: los ventiladores centrífugos son más eficientes, mientras que los sopladores de desplazamiento positivo pueden tener un costo de capital menor y son capaces de lograr relaciones de compresión mucho más altas. [5] [6] [7] [8] [9] Los ventiladores centrífugos generalmente se comparan con los ventiladores axiales para aplicaciones residenciales, industriales y comerciales. Los ventiladores axiales generalmente operan a volúmenes más altos, operan a presiones estáticas más bajas y tienen una mayor eficiencia. [10] Por lo tanto, los ventiladores axiales generalmente se utilizan para el movimiento de aire de gran volumen, como el escape de almacén o la circulación de la habitación, mientras que los ventiladores centrífugos se utilizan para mover el aire en aplicaciones canalizadas, como una casa o un entorno de oficina típico.
El ventilador centrífugo tiene forma de tambor compuesto por una serie de aspas montadas alrededor de un cubo. Como se muestra en la figura animada, el cubo gira sobre un eje de transmisión montado sobre cojinetes en la carcasa del ventilador. El gas entra por el costado de la rueda del ventilador , gira 90 grados y se acelera debido a la fuerza centrífuga a medida que fluye sobre las aspas del ventilador y sale de la carcasa del ventilador. [11]
La primera mención de los ventiladores centrífugos fue en 1556 por Georg Pawer (latín: Georgius Agricola ) en su libro De Re Metallica , donde muestra cómo se usaban dichos ventiladores para ventilar minas. [12] A partir de entonces, los ventiladores centrífugos cayeron gradualmente en desuso. No fue hasta las primeras décadas del siglo XIX que el interés en los ventiladores centrífugos revivió. En 1815, el marqués de Chabannes abogó por el uso de un ventilador centrífugo y sacó una patente británica en el mismo año. [13] En 1827, Edwin A. Stevens de Bordentown, Nueva Jersey, instaló un ventilador para soplar aire en las calderas del barco de vapor North America . [14] De manera similar, en 1832, el ingeniero sueco-estadounidense John Ericsson utilizó un ventilador centrífugo como soplador en el barco de vapor Corsair . [15] El ingeniero militar ruso Alexander Sablukov inventó un ventilador centrífugo en 1832 y se utilizó tanto en la industria ligera rusa (como la fabricación de azúcar) como en el extranjero. [16]
Uno de los avances más importantes para la industria minera fue el ventilador Guibal, patentado en Bélgica en 1862 por el ingeniero francés Théophile Guibal. El ventilador Guibal tenía una carcasa en espiral que rodeaba las aspas del ventilador, así como un obturador flexible para controlar la velocidad de escape, lo que lo hacía muy superior a los diseños de ventiladores abiertos anteriores y conducía a la posibilidad de extraer a grandes profundidades. Este tipo de ventiladores se utilizaron ampliamente para la ventilación de minas en toda Gran Bretaña. [17] [18]
Las partes principales de un ventilador centrífugo son:
Otros componentes utilizados pueden incluir cojinetes , acoplamientos , dispositivo de bloqueo del impulsor, carcasa de descarga del ventilador, placas de sellado del eje, etc. [19]
El mecanismo de accionamiento del ventilador determina la velocidad de la rueda del ventilador (impulsor) y el grado en que se puede variar esta velocidad. Existen dos tipos básicos de mecanismos de accionamiento del ventilador. [11]
La rueda del ventilador se puede conectar directamente al eje de un motor eléctrico . Esto significa que la velocidad de la rueda del ventilador es idéntica a la velocidad de rotación del motor . El accionamiento directo es la forma más eficiente de accionamiento del ventilador, ya que no hay pérdidas al convertir la velocidad de rotación del motor a la del ventilador.
Algunos fabricantes de productos electrónicos han fabricado ventiladores centrífugos con motores de rotor externo (el estator está dentro del rotor) y el rotor está montado directamente en la rueda del ventilador (impulsor).
Un conjunto de poleas está montado en el eje del motor y en el eje de la rueda del ventilador, y una correa transmite la energía mecánica del motor al ventilador.
La velocidad de la rueda del ventilador depende de la relación entre el diámetro de la polea del motor y el diámetro de la polea de la rueda del ventilador. Las velocidades de la rueda del ventilador en ventiladores accionados por correa son fijas a menos que la(s) correa(s) se deslicen. El deslizamiento de la correa puede reducir la velocidad de la rueda del ventilador en varios cientos de revoluciones por minuto (RPM). [20] Las correas también introducen un elemento de mantenimiento adicional.
Los cojinetes son una parte importante de un ventilador. Los cojinetes de manguito y anillo se utilizan para ventiladores más pequeños, como los de ordenador, mientras que las aplicaciones residenciales y comerciales más grandes utilizan cojinetes de bolas . Las aplicaciones industriales pueden utilizar cojinetes especializados, como cojinetes de manguito refrigerados por agua, para extraer gases calientes. [21]
Muchos turbocompresores utilizan un cojinete de aire o un cojinete magnético . [22]
Los sopladores con cojinetes magnéticos proporcionan baja vibración transmitida, levitación de alta velocidad, bajo consumo de energía, alta confiabilidad, funcionamiento sin aceite y tolerancia a partículas contaminantes en la corriente de aire. [23]
La velocidad de los ventiladores modernos se controla mediante variadores de frecuencia que controlan directamente la velocidad de los motores, aumentando o disminuyendo la velocidad del motor según los diferentes flujos de aire. La cantidad de aire que se mueve no es lineal con la velocidad del motor y debe equilibrarse individualmente para cada instalación de ventilador. Por lo general, esto se realiza en el momento de la instalación mediante contratistas de pruebas y equilibrado, aunque algunos sistemas modernos controlan directamente el flujo de aire con instrumentos cerca de la salida y pueden usar la retroalimentación para variar la velocidad del motor.
Las instalaciones de ventiladores más antiguas utilizaban álabes de entrada o salida, aletas de metal que se podían ajustar para abrir y cerrar en la salida del ventilador. A medida que los álabes se cerraban, aumentaban la presión y reducían el flujo de aire del ventilador. Esto es menos eficiente que un VFD, ya que el VFD reduce directamente la electricidad utilizada por el motor del ventilador, mientras que los álabes funcionaban con una velocidad de motor constante.
La rueda del ventilador consta de un cubo con una serie de aspas acopladas. Las aspas del ventilador en el cubo pueden disponerse de tres formas diferentes: curvadas hacia delante, curvadas hacia atrás o radialmente. [11]
Las aspas curvadas hacia adelante, como en la Figura 3(a), se curvan en la dirección de rotación de la rueda del ventilador. Son especialmente sensibles a las partículas y, por lo general, solo se especifican para aplicaciones de aire limpio, como el aire acondicionado. [24] Los ventiladores curvados hacia adelante se utilizan normalmente en aplicaciones en las que la presión estática es demasiado alta para un ventilador axial de paletas o se requiere un tamaño más pequeño de un ventilador centrífugo, pero las características de ruido de un ventilador curvado hacia atrás son perjudiciales para el espacio. Son capaces de proporcionar un flujo de aire menor con un mayor aumento de la presión estática en comparación con un ventilador axial de paletas. [25] Se utilizan normalmente en unidades fan coil . Son menos eficientes que los ventiladores curvados hacia atrás. [26]
Las aspas curvadas hacia atrás, como en la Figura 3(b), se curvan en contra de la dirección de rotación de la rueda del ventilador. Los sopladores más pequeños pueden tener aspas inclinadas hacia atrás , que son rectas, no curvadas. Los sopladores más grandes inclinados/curvados hacia atrás tienen aspas cuyas curvaturas hacia atrás imitan la de una sección transversal de perfil aerodinámico, pero ambos diseños proporcionan una buena eficiencia operativa con técnicas de construcción relativamente económicas. Estos tipos de sopladores están diseñados para manejar corrientes de gas con cargas de partículas bajas a moderadas [ cita requerida ] . Se pueden equipar fácilmente con protección contra el desgaste, pero ciertas curvaturas de las aspas pueden ser propensas a la acumulación de sólidos. [ cita requerida ] . Las ruedas curvadas hacia atrás suelen ser más pesadas que sus equivalentes curvados hacia adelante, ya que funcionan a velocidades más altas y requieren una construcción más resistente. [27]
Los ventiladores curvados hacia atrás pueden tener un amplio rango de velocidades específicas, pero se utilizan con mayor frecuencia para aplicaciones de velocidad específica media: aplicaciones de alta presión y flujo medio, como en unidades de manejo de aire . [ cita requerida ]
Los ventiladores con curvatura hacia atrás son más eficientes energéticamente que los ventiladores con aspas radiales y con curvatura hacia adelante y, por lo tanto, para aplicaciones de alta potencia pueden ser una alternativa adecuada al ventilador con aspas radiales de menor costo. [27]
Los sopladores radiales, como en la Figura 3(c), tienen ruedas cuyas aspas se extienden directamente desde el centro del cubo. Las ruedas con aspas radiales se utilizan a menudo en corrientes de gas cargadas de partículas porque son las menos sensibles a la acumulación de sólidos en las aspas, pero a menudo se caracterizan por una mayor producción de ruido. Las altas velocidades, los bajos volúmenes y las altas presiones son comunes en los sopladores radiales [ cita requerida ] y se utilizan a menudo en aspiradoras , sistemas de transporte de material neumático y procesos similares.
El ventilador centrífugo utiliza la fuerza centrífuga que se genera al girar los impulsores para aumentar la energía cinética del aire o los gases. Cuando los impulsores giran, las partículas de gas que se encuentran cerca de ellos se expulsan de los impulsores y luego se desplazan hacia la carcasa del ventilador. Como resultado, la energía cinética del gas se mide como presión debido a la resistencia del sistema que ofrecen la carcasa y el conducto. Luego, el gas se dirige hacia la salida a través de los conductos de salida. Después de expulsar el gas, la presión del gas en la región media de los impulsores disminuye. El gas del ojo del impulsor ingresa para normalizar esto. Este ciclo se repite y, por lo tanto, el gas puede transferirse continuamente.
Un diagrama llamado triángulo de velocidad nos ayuda a determinar la geometría del flujo en la entrada y salida de un álabe. Se requiere una cantidad mínima de datos para dibujar un triángulo de velocidad en un punto del álabe. Algunos componentes de la velocidad varían en diferentes puntos del álabe debido a los cambios en la dirección del flujo. Por lo tanto, es posible una cantidad infinita de triángulos de velocidad para un álabe determinado. Para describir el flujo utilizando solo dos triángulos de velocidad, definimos los valores medios de la velocidad y su dirección. El triángulo de velocidad de cualquier turbomáquina tiene tres componentes, como se muestra:
Estas velocidades están relacionadas por la ley triangular de la suma vectorial:
Esta ecuación relativamente simple se utiliza con frecuencia al dibujar el diagrama de velocidad. El diagrama de velocidad de las palas de las caras delantera y trasera que se muestran se dibuja utilizando esta ley. El ángulo α es el ángulo que forma la velocidad absoluta con la dirección axial y el ángulo β es el ángulo que forma la pala con respecto a la dirección axial.
La propiedad que distingue a un ventilador centrífugo de un soplador es la relación de presión que puede alcanzar. En general, un soplador puede producir una relación de presión más alta. Según la Sociedad Estadounidense de Ingenieros Mecánicos (ASME), la relación específica (la relación entre la presión de descarga y la presión de succión) se utiliza para definir ventiladores, sopladores y compresores. Los ventiladores tienen una relación específica de hasta 1,11, los sopladores de 1,11 a 1,20 y los compresores tienen más de 1,20. [ cita requerida ] Por lo general, debido a las presiones más altas involucradas, los sopladores y compresores tienen estructuras mucho más resistentes que los ventiladores.
Las clasificaciones que se encuentran en las tablas y curvas de rendimiento de los ventiladores centrífugos se basan en aire estándar (SCFM) . Los fabricantes de ventiladores definen el aire estándar como aire limpio y seco con una densidad de 0,075 libras de masa por pie cúbico (1,2 kg/m3 ) , con una presión barométrica a nivel del mar de 29,92 pulgadas de mercurio (101,325 kPa) y una temperatura de 70 °F (21 °C). La selección de un ventilador centrífugo para que funcione en condiciones distintas a las del aire estándar requiere un ajuste tanto de la presión estática como de la potencia .
A una altitud superior a la estándar ( nivel del mar ) y a una temperatura superior a la estándar, la densidad del aire es inferior a la densidad estándar. Las correcciones de la densidad del aire deben tener en cuenta los ventiladores centrífugos que están especificados para un funcionamiento continuo a temperaturas más altas. El ventilador centrífugo desplaza un volumen constante de aire en un sistema determinado independientemente de la densidad del aire.
Cuando se especifica un ventilador centrífugo para un determinado CFM y presión estática en condiciones distintas a las estándar, se debe aplicar un factor de corrección de la densidad del aire para seleccionar el tamaño de ventilador adecuado para cumplir con la nueva condición. Dado que el aire a 200 °F (93 °C) pesa solo el 80 % del aire a 70 °F (21 °C), el ventilador centrífugo crea menos presión y requiere menos energía. Para obtener la presión real requerida a 200 °F (93 °C), el diseñador debe multiplicar la presión en condiciones estándar por un factor de corrección de la densidad del aire de 1,25 (es decir, 1,0/0,8) para que el sistema funcione correctamente. Para obtener la potencia real a 200 °F (93 °C), el diseñador debe dividir la potencia en condiciones estándar por el factor de corrección de la densidad del aire.
Las tablas de rendimiento de los ventiladores centrífugos proporcionan los requisitos de potencia y RPM del ventilador para los CFM y la presión estática dados a la densidad de aire estándar. Cuando el rendimiento del ventilador centrífugo no se encuentra en condiciones estándar, el rendimiento debe convertirse a condiciones estándar antes de ingresar en las tablas de rendimiento. Los ventiladores centrífugos calificados por la Asociación de Control y Movimiento del Aire (AMCA) se prueban en laboratorios con configuraciones de prueba que simulan instalaciones que son típicas para ese tipo de ventilador. Por lo general, se prueban y califican como uno de los cuatro tipos de instalación estándar según lo designado en la Norma 210 de la AMCA. [28]
La norma AMCA 210 define métodos uniformes para realizar pruebas de laboratorio en ventiladores con carcasa para determinar el caudal de aire, la presión, la potencia y la eficiencia a una velocidad de rotación determinada. El objetivo de la norma AMCA 210 es definir los procedimientos y las condiciones exactas de las pruebas de los ventiladores, de modo que las clasificaciones proporcionadas por los distintos fabricantes se basen en la misma base y puedan compararse. Por este motivo, los ventiladores deben clasificarse en SCFM estandarizados.
Los ventiladores centrífugos sufren pérdidas de eficiencia tanto en las partes fijas como en las móviles, lo que aumenta el consumo de energía necesario para un nivel determinado de rendimiento del flujo de aire.
El flujo en la entrada y su giro de dirección axial a radial provocan pérdidas en la entrada. La fricción y la separación del flujo provocan pérdidas en las palas del impulsor, ya que hay un cambio en el ángulo de incidencia . [ Se necesita más explicación ] Estas pérdidas en las palas del impulsor también se incluyen en la categoría.
La fuga de algo de aire y la perturbación en el campo de flujo principal se producen debido al espacio libre proporcionado entre la periferia giratoria del impulsor y la carcasa en la entrada.
La fricción y la separación del flujo también provocan pérdidas en el difusor . Se producen más pérdidas por incidencia si el dispositivo funciona más allá de sus condiciones de diseño. El flujo del impulsor o difusor se expande en la voluta , que tiene una sección transversal más grande, lo que lleva a la formación de remolinos , que a su vez reducen la carga de presión. También se producen pérdidas por fricción y separación del flujo debido al paso de la voluta.
El arrastre viscoso en la superficie posterior del disco del impulsor provoca pérdidas por fricción del disco.
En la novela de ciencia ficción de Walter Miller , Un cántico para Leibowitz (1959), una orden de monjes en un siglo 26 postapocalíptico protege un plano eléctrico de una "jaula de ardilla" como reliquia sagrada, aunque no saben cómo revelar la "ardilla".
