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Un ventilador es una máquina motorizada que se utiliza para crear un flujo de aire. Un ventilador consiste en un conjunto giratorio de paletas o aspas, generalmente de madera, plástico o metal, que actúan sobre el aire. El conjunto giratorio de palas y cubo se conoce como impulsor , rotor o rodete . Por lo general, está contenido dentro de algún tipo de alojamiento o estuche. [1] Esto puede dirigir el flujo de aire o aumentar la seguridad al evitar que 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 gran volumen y baja presión (aunque superiores a la presión ambiental ), a diferencia de los compresores que producen altas presiones con un volumen comparativamente bajo. Las aspas de un ventilador a menudo giran cuando se exponen a una corriente de aire y fluido, y los dispositivos que aprovechan esto, como los anemómetros y las turbinas eólicas , suelen tener diseños similares al de un ventilador.
Las aplicaciones típicas incluyen control de clima y confort térmico personal (p. ej., un ventilador eléctrico de mesa o de piso), sistemas de enfriamiento de motores de vehículos (p. ej., frente a un radiador), sistemas de enfriamiento de maquinaria (p. ej., computadoras internas y amplificadores de potencia de audio ), ventilación, extracción de humos, aventamiento (p. ej., separación de la paja de los granos de cereales ), eliminación del polvo (p. ej., aspiración como en una aspiradora), secado (normalmente en combinación con una fuente de calor) y suministro de corriente para el fuego. Algunos ventiladores pueden usarse indirectamente para enfriar en el caso de intercambiadores de calor industriales.
Si bien los ventiladores son eficaces para enfriar a las personas, no enfrían el aire, sino que funcionan mediante el enfriamiento por evaporación del sudor y una mayor convección de calor en el aire circundante, debido al flujo de aire de los ventiladores. Por lo tanto, los ventiladores pueden volverse menos efectivos para enfriar el cuerpo si el aire circundante está cerca de la temperatura corporal y contiene alta humedad.
El punkah (abanico) se utilizó en la India alrededor del año 500 a. C. Era un ventilador de mano hecho con tiras de bambú u otra fibra vegetal, que podía girarse o abanicarse para mover el aire. Durante el dominio británico , la palabra llegó a ser utilizada por los angloindios para referirse a un gran ventilador plano 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 giratorio 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 hacer girar las ruedas del ventilador para el aire acondicionado, mientras que el ventilador giratorio se volvió aún más común durante la dinastía Song (960–1279). [2] [3]
Durante el período Heian (794-1185) en Japón, los fanáticos adaptaron 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 escondida a plena vista en forma de abanico normal, un arma utilizada por los samuráis cuando las katanas no eran las 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 antiguo sistema de ventilación en las Casas del Parlamento que utilizaba fuelles para hacer circular el aire. El diseño de Wren fue el catalizador de mejoras e innovaciones mucho posteriores. El primer ventilador giratorio utilizado en Europa fue para ventilación de minas durante el siglo XVI, como lo ilustra Georg Agricola (1494-1555). [4]
John Theophilus Desaguliers , un ingeniero británico, demostró el uso exitoso de un sistema de ventilador para extraer el aire estancado de las minas de carbón en 1727 (la ventilación era particularmente importante en las minas de carbón para evitar 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 alternativas en las minas del norte de Inglaterra, aunque la maquinaria podía averiarse.
En 1849, se puso en funcionamiento un ventilador de vapor de 6 m de radio, diseñado por William Brunton , en Gelly Gaer Colliery del sur de Gales . El modelo se exhibió en la Gran Exposición de 1851. También en 1851 David Boswell Reid , un médico escocés, instaló cuatro ventiladores accionados por vapor en el techo del Hospital St George's de Liverpool , de modo que la presión producida por los ventiladores forzara la entrada. aire hacia arriba y a través de rejillas de ventilación en el 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 accionado por electricidad. [9] Fue comercializado comercialmente por la firma estadounidense Crocker & Curtis electric motor company. En 1885, Stout, Meadowcraft & Co. en Nueva York comercializaba un ventilador eléctrico de escritorio de accionamiento directo. [10]
En 1882, Philip Diehl desarrolló el primer ventilador de techo eléctrico del mundo. Durante este intenso período de innovación, a principios del siglo XX eran comunes los ventiladores impulsados por alcohol, aceite o queroseno. En 1909, KDK de Japón fue pionero 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 pudieran comprarlos. En la década de 1930, Emerson diseñó el primer ventilador art déco (el "Cisne plateado"). [11] En la década de 1940, Crompton Greaves de India se convirtió en el mayor fabricante de ventiladores de techo eléctricos del mundo, principalmente para la venta en India, Asia y Medio Oriente. En la década de 1950, los ventiladores de mesa y de pie se fabricaban en colores brillantes y llamativos.
El aire acondicionado central y de ventana en la década de 1960 hizo que muchas empresas interrumpieran la producción de ventiladores, [12] pero a mediados de la década de 1970, con una conciencia cada vez mayor del costo de la electricidad y la cantidad de energía utilizada para calentar y enfriar los hogares, Los ventiladores de techo con estilo del siglo pasado volvieron a ser populares como 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 largas aspas 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 clases sociales. En Gran Bretaña y China inicialmente sólo se instalaron en los edificios del Parlamento y en las casas nobles. En el Antiguo Egipto (3150 a. C.), se requería que los sirvientes abanicaran a los faraones y figuras importantes.
En partes del mundo como la India, donde la temperatura supera los 38 °C (100 °F), los ventiladores de pie y de caja eléctrica son esenciales en el mundo empresarial para la comodidad del cliente y un entorno de trabajo eficiente. Los ventiladores ahora funcionan con energía solar, son energéticamente eficientes y funcionan con baterías en lugares con fuentes de energía poco confiables.
En Corea del Sur , los fans desempeñan un papel en un cuento de viejas . Muchos ciudadanos surcoreanos mayores creen en el mito poco científico y sin fundamento de la muerte de un ventilador debido al uso excesivo de un ventilador eléctrico; Los ventiladores eléctricos coreanos generalmente se apagan después de unas horas para protegerlos de la muerte del ventilador.
Los ventiladores eléctricos típicos de una habitación consumen de 50 a 100 vatios de potencia, mientras que las unidades de aire acondicionado utilizan de 500 a 4000 vatios; Los ventiladores consumen 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 resultar perturbadores. 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 deben principalmente a 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), pudiendo empotrarse en una ventana , pared, techo, etc. Los sistemas electrónicos que generan calor importante como los ordenadores incorporan ventiladores. Electrodomésticos como secadores de pelo y calefactores también utilizan ventiladores. Mueven aire en sistemas de aire acondicionado y en motores de automóviles. Los ventiladores utilizados para brindar 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 expulsando aire caliente al ambiente más fresco fuera de la máquina para que el aire más frío fluya hacia adentro. Hay tres tipos principales de ventiladores utilizados para mover aire, axiales , 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 aquellos de flujo centrífugo, axial y mixto.
Los ventiladores de flujo axial tienen aspas que obligan al aire a moverse paralelo al eje alrededor del cual giran las aspas. Este tipo de ventilador se utiliza en una amplia variedad de aplicaciones, que van desde pequeños ventiladores de refrigeración para electrónica hasta ventiladores gigantes utilizados en torres de refrigeración . Los ventiladores de flujo axial se aplican en aplicaciones de aire acondicionado y procesos industriales. Los ventiladores de flujo axial estándar tienen diámetros de 300 a 400 mm o de 1800 a 2000 mm y funcionan a presiones de hasta 800 Pa . Se utilizan tipos especiales de ventiladores como etapas de compresión de baja presión en los motores de aviones. Ejemplos de ventiladores axiales son:
A menudo llamado "jaula de ardilla" (debido a su similitud general en apariencia con las ruedas de ejercicio para roedores domésticos) o "ventilador de desplazamiento", el ventilador centrífugo tiene un componente móvil (llamado impulsor ) que consiste en un eje central alrededor del cual se mueve un conjunto. Se colocan unas palas que forman una espiral , o nervaduras. Los ventiladores centrífugos soplan aire en ángulo recto con respecto a la entrada del ventilador y hacen girar el aire hacia la salida (mediante desviación 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 determinado y se utiliza cuando esto es deseable, como en sopladores de hojas , secadores de pelo , infladores de colchones de aire, estructuras inflables , control climático en unidades de tratamiento de aire y diversos 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 tratamiento 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 usa ampliamente en calefacción, ventilación y aire acondicionado (HVAC), especialmente en aire dividido sin ductos. acondicionadores. 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 aspas curvadas hacia adelante, colocado 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 dos veces por las palas.
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 remo directamente opuesta. Tanto la región de vórtice como la de remo son disipativas y, como resultado, sólo una parte del impulsor imparte trabajo utilizable sobre el flujo. [19] El ventilador de flujo cruzado, o ventilador transversal, es, por tanto, una máquina de admisión parcial de dos etapas. La popularidad del ventilador de flujo cruzado en HVAC se debe a su tamaño compacto, forma, funcionamiento silencioso y capacidad de proporcionar un alto coeficiente de presión. Efectivamente, es 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 flujo alto y bajo y dio lugar a numerosas patentes. Coester, Ilberg y Sadeh, Porter y Markland y Eck hicieron contribuciones clave. [ ¿cuando? ] 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 determinadas posiciones las palas actúan como compresores (aumento de presión), mientras que en otras posiciones azimutales las palas actúan como turbinas (disminución de presión).
Dado que el flujo entra y sale radialmente del impulsor, el ventilador de flujo cruzado ha sido estudiado y creado como prototipo para posibles aplicaciones aeronáuticas. [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 que gira. 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 las décadas de 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. Al hacer esto, el ala propulsora prácticamente no se detiene, incluso en ángulos de ataque extremadamente altos, lo que produce una sustentación muy alta. Sin embargo, los conceptos de ala de abanico y ala propulsora siguen siendo experimentales y sólo 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 una diferencia de presión. Los ventiladores de flujo cruzado están hechos para tener una pared trasera de doble arco circular con una pared de vórtice gruesa que disminuye en el espacio radial. La holgura disminuye en la dirección de rotación del impulsor del ventilador. La pared trasera tiene un perfil en espiral, mientras que el estabilizador de vórtice es una pared delgada horizontal con 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 brindan flujo de aire a lo largo de todo el ancho del ventilador; sin embargo, son más ruidosos que los ventiladores centrífugos normales. Los ventiladores de flujo cruzado se utilizan a menudo en aires acondicionados sin ductos , puertas de aire , en algunos tipos de refrigeradores para computadoras 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 visiblemente móviles (a menos que se complementen con otras características como oscilación y ajuste direccional). [23] Una cantidad relativamente pequeña de aire de un ventilador impulsor de paletas de alta presión, que está contenido dentro de la base en lugar de expuesto, induce el flujo más lento de una masa de aire más grande a través de una abertura circular u ovalada a través de una válvula de baja presión. Área creada por la forma de una 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 que de otro modo estaría expuesta y que carece de cubierta o puerta. Las cortinas de aire se usan comúnmente en exhibidores abiertos de lácteos, congeladores y vegetales para ayudar a retener el aire frío dentro del gabinete mediante un flujo de aire laminar que circula a través de la abertura del expositor. El flujo de aire normalmente lo genera un ventilador mecánico de cualquier tipo descrito en este artículo oculto en la base de la vitrina. Los difusores lineales de ranura 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 ventilador de la unidad de tratamiento de aire .
Los ventiladores pueden instalarse de diversas formas, según la aplicación. Se suelen utilizar en instalación libre, sin carcasa de ningún tipo. También existen algunas instalaciones especializadas.
En los vehículos, un ventilador con conductos es un método de propulsión en el que un ventilador, hélice o rotor está rodeado por un conducto o cubierta aerodinámica que mejora su rendimiento para crear empuje o elevación aerodinámico 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 consigo aire ambiente 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 por el rápido flujo de aire alrededor de las aspas y obstáculos que provocan vórtices, y por el 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 aproximadamente 15 dB . [27]
El volumen percibido del ruido del ventilador también depende de la distribución de frecuencia del ruido. Esto depende a su vez de la forma y de la distribución de las partes móviles, especialmente de las palas, y de las partes estacionarias, en particular de los puntales. Al igual que con las bandas de rodadura de los neumáticos , y de forma similar al principio de los difusores acústicos , una forma y distribución irregulares pueden aplanar el espectro del ruido, haciendo que el ruido suene 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 funcionar con un motor eléctrico , a menudo conectado directamente a la salida del motor, sin engranajes ni correas. El motor está oculto en el centro del ventilador o se extiende detrás de él. Para los grandes ventiladores industriales, se suelen utilizar motores asíncronos trifásicos, que pueden colocarse cerca del ventilador y accionarlo mediante una correa y poleas . Los ventiladores más pequeños suelen funcionar con motores de CA de polos sombreados o con motores de CC con o sin escobillas . Los ventiladores que funcionan con CA suelen utilizar voltaje de red, mientras que los ventiladores que funcionan con CC suelen utilizar voltaje bajo, 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 ve comúnmente en vehículos de motor con motores de combustión interna , grandes sistemas de refrigeración, locomotoras y máquinas aventadoras, 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 acciona un mecanismo, mientras que el otro tiene un ventilador montado para enfriar el motor. Los aires acondicionados 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 piezas giratorias, los ventiladores pueden funcionar mediante otros métodos. Se pueden usar gases a alta presión, como el vapor, para impulsar una pequeña turbina , y líquidos a alta presión para impulsar una rueda Pelton , que pueden proporcionar el accionamiento giratorio de 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 o poleas reductoras para aumentar la velocidad de rotación a la necesaria para el funcionamiento eficiente del ventilador.
Los ventiladores eléctricos utilizados para la ventilación pueden funcionar con paneles solares en lugar de con la corriente principal. Esta es una opción atractiva porque una vez cubiertos los costes de capital del panel solar, la electricidad resultante es gratuita. Además, siempre hay electricidad disponible cuando brilla el sol y el ventilador necesita funcionar. Durante la ausencia de energía eléctrica, el ventilador solar hace funcionar el flujo de aire y mantiene las condiciones ambientales. Un ejemplo típico utiliza un panel solar independiente de 10 vatios y 12 x 12 pulgadas (30 cm x 30 cm) y se suministra con soportes, cables y conectores adecuados . Se puede utilizar para ventilar hasta 116 m2 (1250 pies cuadrados ) de área y puede mover aire a una velocidad de hasta 400 L/s (800 pies cúbicos por minuto). 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 generalmente se instala en el lugar que recibe la mayor parte de la luz solar y luego se conecta al ventilador montado a una distancia de hasta 25 pies (8 m). Otros ventiladores portátiles pequeños y montados permanentemente incluyen un panel solar integrado (no desmontable).
Medios relacionados con ventiladores (mecánicos) en Wikimedia Commons
