Un ventilador es una máquina motorizada que se utiliza para crear un flujo de aire. Un ventilador consta de un conjunto giratorio de paletas o álabes, generalmente hechos de madera, plástico o metal, que actúan sobre el aire. El conjunto giratorio de paletas y cubo se conoce como impulsor , rotor o rodete . Por lo general, está contenido dentro de algún tipo de carcasa o caja. [1] Esto puede dirigir el flujo de aire o aumentar la seguridad al evitar que los objetos entren en contacto con las aspas del ventilador. La mayoría de los ventiladores funcionan con motores eléctricos , pero se pueden utilizar otras fuentes de energía, incluidos motores hidráulicos , manivelas y motores de combustión interna .
Mecánicamente, un ventilador puede ser cualquier paleta giratoria o paletas utilizadas para producir corrientes de aire . Los ventiladores producen flujos de aire con un gran volumen y una presión baja (aunque superior a la presión ambiental ), a diferencia de los compresores que producen altas presiones a un volumen comparativamente bajo. Una paleta de ventilador a menudo gira cuando se expone a una corriente de aire y fluido, y los dispositivos que aprovechan esto, como los anemómetros y las turbinas eólicas , a menudo tienen diseños similares al de un ventilador.
Las aplicaciones típicas incluyen el control del clima y el confort térmico personal (por ejemplo, un ventilador eléctrico de mesa o de suelo), sistemas de refrigeración de motores de vehículos (por ejemplo, delante de un radiador), sistemas de refrigeración de maquinaria (por ejemplo, dentro de ordenadores y amplificadores de potencia de audio ), ventilación, extracción de humos, aventado (por ejemplo, separando la paja de los granos de cereales ), eliminación de polvo (por ejemplo, aspirando como en una aspiradora), secado (normalmente en combinación con una fuente de calor) y proporcionando corrientes de aire para un fuego. Algunos ventiladores pueden utilizarse indirectamente para la refrigeración en el caso de intercambiadores de calor industriales.
Si bien los ventiladores son eficaces para refrescar a las personas, no enfrían el aire, sino que funcionan mediante el enfriamiento por evaporación del sudor y el aumento de la convección de calor hacia el aire circundante, debido al flujo de aire de los ventiladores. Por lo tanto, los ventiladores pueden resultar menos eficaces para enfriar el cuerpo si el aire circundante está cerca de la temperatura corporal y contiene un alto nivel de humedad.
El punkah (abanico) se utilizaba en la India alrededor del año 500 a. C. Era un ventilador de mano hecho con tiras de bambú u otra fibra vegetal, que se podía girar o mover para hacer circular el aire. Durante el dominio británico , los angloindios empezaron a utilizar la palabra para referirse a un gran ventilador plano y oscilante, fijado al techo y tirado por un sirviente llamado punkawallah .
Para fines de aire acondicionado , el artesano e ingeniero de la dinastía Han Ding Huan (fl. 180 d. C.) inventó un ventilador rotatorio operado manualmente con siete ruedas que medían 3 m (10 pies) de diámetro; en el siglo VIII, durante la dinastía Tang (618-907), los chinos aplicaron energía hidráulica para girar las ruedas del ventilador para el aire acondicionado, mientras que el ventilador rotatorio se volvió aún más común durante la dinastía Song (960-1279). [2] [3]
Durante el periodo Heian (794-1185) en Japón, los abanicos adoptaron el papel de simbolizar la clase social, además de un papel mecánico. El tessen , un abanico japonés utilizado en la época feudal , era un arma peligrosa oculta a simple vista en forma de abanico normal, un arma utilizada por los samuráis cuando las katanas no eran ideales.
En el siglo XVII, los experimentos de científicos como Otto von Guericke , Robert Hooke y Robert Boyle establecieron los principios básicos del vacío y el flujo de aire. El arquitecto inglés Sir Christopher Wren aplicó un sistema de ventilación temprano en las Cámaras del Parlamento que utilizaba fuelles para hacer circular el aire. El diseño de Wren fue el catalizador de muchas mejoras e innovaciones posteriores. El primer ventilador rotatorio utilizado en Europa fue para la ventilación de minas durante el siglo XVI, como lo ilustró Georg Agricola (1494-1555). [4]
John Theophilus Desaguliers , un ingeniero británico, demostró el uso exitoso de un sistema de ventiladores para extraer el aire estancado de las minas de carbón en 1727 (la ventilación era particularmente importante en las minas de carbón para prevenir la asfixia) y poco después instaló un aparato similar en el Parlamento. [5] El ingeniero civil John Smeaton y más tarde John Buddle instalaron bombas de aire reciprocantes en las minas del norte de Inglaterra, aunque la maquinaria era propensa a averiarse.
En 1849, un ventilador de vapor de 6 m de radio, diseñado por William Brunton , se puso en funcionamiento en la mina de carbón Gelly Gaer de Gales del Sur . El modelo se exhibió en la Gran Exposición de 1851. También en 1851, David Boswell Reid , un médico escocés, instaló cuatro ventiladores a vapor en el techo del Hospital St George de Liverpool , de modo que la presión producida por los ventiladores impulsara el aire entrante hacia arriba y a través de los respiraderos del techo. [6] [7] James Nasmyth , el francés Theophile Guibal y JR Waddle realizaron mejoras en la tecnología . [8]
Entre 1882 y 1886, Schuyler Wheeler inventó un ventilador que funcionaba con electricidad. [9] Fue comercializado por la empresa estadounidense Crocker & Curtis Electric Motor Company. En 1885, Stout, Meadowcraft & Co., en Nueva York, comercializó un ventilador eléctrico de accionamiento directo de sobremesa. [10]
En 1882, Philip Diehl desarrolló el primer ventilador eléctrico de techo del mundo. Durante este intenso período de innovación, los ventiladores alimentados por alcohol, aceite o queroseno eran comunes a principios del siglo XX. En 1909, KDK de Japón fue pionera en la invención de ventiladores eléctricos producidos en masa para uso doméstico. En la década de 1920, los avances industriales permitieron que los ventiladores de acero se produjeran en masa en diferentes formas, lo que redujo los precios de los ventiladores y permitió que más propietarios de viviendas los pudieran comprar. En la década de 1930, Emerson diseñó el primer ventilador art déco (el "Silver Swan"). [11] En la década de 1940, Crompton Greaves de la India se convirtió en el mayor fabricante mundial de ventiladores de techo eléctricos, principalmente para la venta en India, Asia y Oriente Medio. En la década de 1950, los ventiladores de mesa y de pie se fabricaron en colores brillantes y llamativos.
En la década de 1960, el aire acondicionado central y de ventana provocó que muchas empresas interrumpieran la producción de ventiladores, [12] pero a mediados de la década de 1970, con una creciente conciencia del costo de la electricidad y la cantidad de energía utilizada para calentar y enfriar los hogares, los ventiladores de techo de estilo de principios del siglo XX volvieron a ser populares como elementos decorativos y energéticamente eficientes.
En 1998, William Fairbank y Walter K. Boyd inventaron el ventilador de techo de alto volumen y baja velocidad (HVLS) , diseñado para reducir el consumo de energía mediante el uso de aspas largas que giran a baja velocidad para mover un volumen de aire relativamente grande. [13]
Antes de que los ventiladores eléctricos fueran ampliamente accesibles, su uso estaba relacionado con la división social entre las clases sociales. En Gran Bretaña y China, inicialmente solo se instalaban en los edificios del Parlamento y en las casas de los nobles. En el Antiguo Egipto (3150 a. C.), se necesitaban sirvientes para abanicar a los faraones y a las figuras importantes.
En lugares del mundo como la India, donde la temperatura alcanza más de 38 °C (100 °F), los ventiladores de pie y eléctricos son esenciales en el mundo empresarial para la comodidad del cliente y un entorno de trabajo eficiente. Los ventiladores se han vuelto más eficientes energéticamente y funcionan con energía solar y con baterías en lugares con fuentes de energía poco confiables.
En Corea del Sur, los ventiladores forman parte de un cuento de viejas . Muchos ciudadanos mayores de Corea del Sur creen en el mito, sin fundamento y sin base científica, de que los ventiladores eléctricos se mueren por su uso excesivo. Los ventiladores eléctricos coreanos suelen apagarse después de unas horas para evitar que se mueran.
Los ventiladores eléctricos de habitación típicos consumen de 50 a 100 vatios de energía, mientras que las unidades de aire acondicionado utilizan de 500 a 4000 vatios; los ventiladores usan menos electricidad pero no enfrían el aire, simplemente proporcionan enfriamiento por evaporación del sudor. Los ventiladores comerciales son más ruidosos que las unidades de aire acondicionado y pueden ser demasiado ruidosos. Según la Comisión de Seguridad de Productos de Consumo de EE. UU., los incidentes reportados relacionados con ventiladores de caja incluyen, incendio (266 incidentes), incendio potencial (29 incidentes), electrocución (15), descarga eléctrica (4 incidentes) y peligro eléctrico (2 incidentes). Las lesiones relacionadas con las unidades de aire acondicionado se relacionan principalmente con su caída de edificios.
Los ventiladores mecánicos de aspas giratorias se fabrican en una amplia gama de diseños. Se utilizan en el suelo, mesa, escritorio o colgados del techo ( ventilador de techo ), y se pueden empotrar en una ventana, pared, techo, etc. Los sistemas electrónicos que generan calor significativo, como las computadoras, incorporan ventiladores. Los electrodomésticos como los secadores de pelo y los calentadores de ambiente también utilizan ventiladores. Mueven el aire en los sistemas de aire acondicionado y en los motores de los automóviles. Los ventiladores utilizados para la comodidad dentro de una habitación crean una sensación térmica al aumentar el coeficiente de transferencia de calor, pero no reducen las temperaturas directamente. Los ventiladores utilizados para enfriar equipos eléctricos o en motores u otras máquinas enfrían el equipo directamente al expulsar aire caliente al entorno más frío fuera de la máquina para que fluya aire más frío. Hay tres tipos principales de ventiladores utilizados para mover aire: axial , centrífugo (también llamado radial ) y de flujo cruzado (también llamado tangencial ). El Código de pruebas de rendimiento 11 (PTC) de la Sociedad Estadounidense de Ingenieros Mecánicos [14] proporciona procedimientos estándar para realizar e informar pruebas en ventiladores, incluidos los de flujo centrífugo, axial y mixto.
Los ventiladores axiales tienen aspas que fuerzan al aire a moverse en paralelo al eje sobre el que giran las aspas. Este tipo de ventilador se utiliza en una amplia variedad de aplicaciones, desde pequeños ventiladores de refrigeración para dispositivos electrónicos hasta los ventiladores gigantes utilizados en torres de refrigeración . Los ventiladores axiales se utilizan en aplicaciones de aire acondicionado y procesos industriales. Los ventiladores axiales estándar tienen diámetros de 300 a 400 mm o de 1800 a 2000 mm y funcionan bajo presiones de hasta 800 Pa . Se utilizan tipos especiales de ventiladores como etapas de compresor de baja presión en motores de aeronaves. Algunos ejemplos de ventiladores axiales son:
El ventilador centrífugo, a menudo llamado "jaula de ardilla" (debido a su similitud general en apariencia con las ruedas de ejercicio para roedores domésticos) o "ventilador de espiral", tiene un componente móvil (llamado impulsor ) que consiste en un eje central alrededor del cual se colocan un conjunto de aspas que forman una espiral o nervaduras. Los ventiladores centrífugos soplan aire en ángulos rectos con respecto a la entrada del ventilador y hacen girar el aire hacia afuera hasta la salida (por deflexión y fuerza centrífuga ). El impulsor gira, lo que hace que el aire ingrese al ventilador cerca del eje y se mueva perpendicularmente desde el eje hasta la abertura en la carcasa del ventilador en forma de espiral. Un ventilador centrífugo produce más presión para un volumen de aire dado y se usa donde esto es deseable, como en sopladores de hojas , secadores de pelo , infladores de colchones de aire, estructuras inflables , control de clima en unidades de manejo de aire y varios fines industriales. Por lo general, son más ruidosos que los ventiladores axiales comparables (aunque algunos tipos de ventiladores centrífugos son más silenciosos, como en las unidades de manejo de aire).
El ventilador de flujo cruzado o tangencial , a veces conocido como ventilador tubular , fue patentado en 1893 por Paul Mortier, [17] [18] y se utiliza ampliamente en calefacción, ventilación y aire acondicionado (HVAC), especialmente en acondicionadores de aire split sin ductos. El ventilador suele ser largo en relación con su diámetro, por lo que el flujo permanece aproximadamente bidimensional lejos de los extremos. El ventilador de flujo cruzado utiliza un impulsor con álabes curvados hacia adelante, colocados en una carcasa que consta de una pared trasera y una pared de vórtice . A diferencia de las máquinas radiales, el flujo principal se mueve transversalmente a través del impulsor, pasando por los álabes dos veces.
El flujo dentro de un ventilador de flujo cruzado se puede dividir en tres regiones distintas: una región de vórtice cerca de la descarga del ventilador, llamada vórtice excéntrico, la región de flujo pasante y una región de paletas directamente opuesta. Tanto la región de vórtice como la de paletas son disipativas y, como resultado, solo una parte del impulsor imparte trabajo utilizable en el flujo. [19] El ventilador de flujo cruzado, o ventilador transversal, es, por lo tanto, una máquina de admisión parcial de dos etapas. La popularidad del ventilador de flujo cruzado en HVAC proviene de su compacidad, forma, funcionamiento silencioso y capacidad para proporcionar un alto coeficiente de presión. Efectivamente, un ventilador rectangular en términos de geometría de entrada y salida, el diámetro se escala fácilmente para adaptarse al espacio disponible y la longitud es ajustable para cumplir con los requisitos de caudal para la aplicación particular.
Los ventiladores de torre domésticos comunes también son ventiladores de flujo cruzado. [20] Gran parte del trabajo inicial se centró en el desarrollo del ventilador de flujo cruzado para condiciones de caudal alto y bajo y dio lugar a numerosas patentes. Las contribuciones clave fueron realizadas por Coester, Ilberg y Sadeh, Porter y Markland, y Eck. [ ¿cuándo? ] Un fenómeno interesante particular del ventilador de flujo cruzado es que, a medida que las aspas giran, el ángulo de incidencia del aire local cambia. El resultado es que en ciertas posiciones las aspas actúan como compresores (aumento de presión), mientras que en otras ubicaciones azimutales las aspas actúan como turbinas (disminución de presión).
Dado que el flujo entra y sale del impulsor radialmente, el ventilador de flujo cruzado se ha estudiado y se ha creado un prototipo para posibles aplicaciones en aeronaves. [21] Debido a la naturaleza bidimensional del flujo, el ventilador se puede integrar en un ala para su uso tanto en la producción de empuje como en el control de la capa límite. Una configuración que utiliza un ventilador de flujo cruzado ubicado en el borde de ataque del ala es el concepto de diseño FanWing desarrollado inicialmente alrededor de 1997 y en desarrollo por una empresa del mismo nombre. Este diseño crea sustentación al desviar la estela hacia abajo debido a la dirección de rotación del ventilador, lo que provoca una gran fuerza Magnus , similar a un cilindro de borde de ataque giratorio. Otra configuración que utiliza un ventilador de flujo cruzado para el control de empuje y flujo es el ala propulsora , otro prototipo de concepto experimental desarrollado inicialmente en los años 1990 y 2000. En este diseño, el ventilador de flujo cruzado se coloca cerca del borde de salida de un ala gruesa y aspira el aire de la superficie de succión (superior) del ala. De esta manera, el ala propulsora prácticamente no entra en pérdida, incluso en ángulos de ataque extremadamente altos, lo que produce una sustentación muy alta. Sin embargo, los conceptos de ala en abanico y ala propulsora siguen siendo experimentales y solo se han utilizado para prototipos no tripulados.
Un ventilador de flujo cruzado es un ventilador centrífugo en el que el aire fluye directamente a través del ventilador en lugar de en ángulo recto. El rotor de un ventilador de flujo cruzado está cubierto para crear un diferencial de presión. Un ventilador de flujo cruzado tiene dos paredes fuera del impulsor y una pared de vórtice gruesa en el interior. El espacio radial disminuye en la dirección de la rotación del impulsor. La pared trasera tiene un perfil de espiral logarítmica, mientras que el estabilizador de vórtice es una pared delgada horizontal con un borde redondeado. [22] La diferencia de presión resultante permite que el aire fluya directamente a través del ventilador, aunque las aspas del ventilador contrarresten el flujo de aire en un lado de la rotación. Los ventiladores de flujo cruzado proporcionan un flujo de aire a lo largo de todo el ancho del ventilador; sin embargo, son más ruidosos que los ventiladores centrífugos ordinarios. Los ventiladores de flujo cruzado se utilizan a menudo en acondicionadores de aire sin ductos , puertas de aire , en algunos tipos de refrigeradores de portátiles , en sistemas de ventilación de automóviles y para enfriar equipos de tamaño mediano como fotocopiadoras .
Los ventiladores Dyson Air Multiplier introducidos en el mercado de consumo en 2009 han popularizado un diseño de 1981 de Toshiba que produce un ventilador que no tiene aspas expuestas ni otras partes móviles visibles (a menos que se complementen con otras características como la oscilación y el ajuste direccional). [23] Una cantidad relativamente pequeña de aire de un ventilador impulsor con aspas de alta presión, que está contenido dentro de la base en lugar de estar expuesto, induce el flujo más lento de una masa de aire más grande a través de una abertura circular u ovalada mediante un área de baja presión creada por una forma de superficie aerodinámica (el efecto Coandă ). [23] [24] [25]
Las cortinas de aire y las puertas de aire también utilizan este efecto para ayudar a retener el aire caliente o frío dentro de un área expuesta que carece de una cubierta o puerta. Las cortinas de aire se utilizan comúnmente en vitrinas abiertas de productos lácteos, congeladores y verduras para ayudar a retener el aire frío dentro del gabinete utilizando un flujo de aire laminar que circula a través de la abertura de la vitrina. El flujo de aire generalmente se genera mediante un ventilador mecánico de cualquier tipo descrito en este artículo oculto en la base de la vitrina. Los difusores de ranura lineal HVAC también utilizan este efecto para aumentar el flujo de aire de manera uniforme en las habitaciones en comparación con los registros al tiempo que reducen la energía utilizada por el soplador de la unidad de manejo de aire .
Los ventiladores se pueden instalar de distintas formas, según la aplicación. A menudo se utilizan en una instalación libre, sin carcasa de ningún tipo. También existen algunas instalaciones especializadas.
En los vehículos, un ventilador canalizado es un método de propulsión en el que un ventilador, una hélice o un rotor está rodeado por un conducto o cubierta aerodinámica que mejora su rendimiento para crear empuje o elevación aerodinámica para transportar el vehículo.
En los sistemas de ventilación, un ventilador de chorro, también conocido como ventilador de impulso o de inducción, expulsa una corriente de aire que arrastra el aire ambiente junto con él, para hacer circular el aire ambiente. El sistema ocupa menos espacio que los conductos de ventilación convencionales y puede aumentar significativamente las tasas de entrada de aire fresco y expulsión de aire viciado. [26]
Los ventiladores generan ruido a partir del rápido flujo de aire alrededor de las aspas y los obstáculos que provocan vórtices, y del motor. El ruido del ventilador es aproximadamente proporcional a la quinta potencia de la velocidad del ventilador; reducir la velocidad a la mitad reduce el ruido en unos 15 dB . [27]
La intensidad percibida del ruido del ventilador también depende de la distribución de frecuencia del ruido. Esto a su vez depende de la forma y distribución de las partes móviles, especialmente de las aspas, y de las partes estacionarias, en particular los puntales. Al igual que con las bandas de rodadura de los neumáticos , y de manera similar al principio de los difusores acústicos , una forma y distribución irregulares pueden aplanar el espectro del ruido, haciendo que el sonido del ruido sea menos molesto. [28] [29] [30]
La forma de entrada del ventilador también puede influir en los niveles de ruido generados por el ventilador. [31]
Los ventiladores independientes suelen estar accionados por un motor eléctrico , a menudo conectado directamente a la salida del motor, sin engranajes ni correas. El motor está oculto en el eje central del ventilador o se extiende detrás de él. Para los ventiladores industriales grandes , se utilizan comúnmente motores asíncronos trifásicos, que pueden colocarse cerca del ventilador y accionarlo a través de una correa y poleas . Los ventiladores más pequeños suelen estar accionados por motores de CA de polos sombreados o motores de CC con escobillas o sin escobillas . Los ventiladores alimentados por CA suelen utilizar voltaje de red, mientras que los ventiladores alimentados por CC suelen utilizar bajo voltaje, normalmente 24 V, 12 V o 5 V.
En las máquinas con una parte giratoria, el ventilador suele estar conectado a ella en lugar de recibir alimentación por separado. Esto se observa comúnmente en vehículos de motor con motores de combustión interna , grandes sistemas de refrigeración, locomotoras y máquinas de aventar, donde el ventilador está conectado al eje de transmisión o mediante una correa y poleas. Otra configuración común es un motor de doble eje, donde un extremo del eje impulsa un mecanismo, mientras que el otro tiene un ventilador montado en él para enfriar el propio motor. Los acondicionadores de aire de ventana suelen utilizar un ventilador de doble eje para operar ventiladores separados para las partes interior y exterior del dispositivo.
Cuando no se dispone de energía eléctrica o de piezas giratorias, los ventiladores pueden accionarse mediante otros métodos. Se pueden utilizar gases a alta presión, como vapor, para accionar una turbina pequeña , y líquidos a alta presión para accionar una rueda Pelton ; cualquiera de los dos puede proporcionar el impulso giratorio para un ventilador.
Las fuentes de energía grandes y de movimiento lento, como un río que fluye, también pueden alimentar un ventilador utilizando una rueda hidráulica y una serie de engranajes reductores o poleas para aumentar la velocidad de rotación a la necesaria para el funcionamiento eficiente del ventilador.
Los ventiladores eléctricos que se utilizan para la ventilación pueden funcionar con paneles solares en lugar de con la red eléctrica. Esta es una opción atractiva porque, una vez cubiertos los costos de capital del panel solar, la electricidad resultante es gratuita. Si las necesidades de ventilación son mayores durante el tiempo soleado, un ventilador alimentado con energía solar puede ser una opción adecuada.
Un ejemplo típico utiliza un panel solar independiente de 10 vatios y 12 pulgadas × 12 pulgadas (30 cm × 30 cm) y se suministra con soportes, cables y conectores adecuados . Se puede utilizar para ventilar hasta 1250 pies cuadrados (116 m 2 ) de área y puede mover aire a hasta 800 pies cúbicos por minuto (400 L/s). Debido a la amplia disponibilidad de motores eléctricos de CC sin escobillas de 12 V y la conveniencia de cablear un voltaje tan bajo, estos ventiladores generalmente funcionan con 12 voltios .
El panel solar independiente se instala normalmente en el lugar que recibe la mayor parte de la luz solar y luego se conecta al ventilador instalado a una distancia de hasta 8 m (25 pies). Otros ventiladores portátiles pequeños y de instalación permanente incluyen un panel solar integrado (no desmontable).
Medios relacionados con Ventiladores (mecánicos) en Wikimedia Commons
