Ventiladores para sistemas de ventilación por condutos
Este módulo analiza os ventiladores centrífugos e axiais empregados en sistemas de ventilación por condutos e considera aspectos seleccionados, como as súas características e atributos operativos.
Os dous tipos de ventiladores habituais que se empregan nos servizos de edificios para sistemas de condutos denomínanse xenericamente ventiladores centrífugos e axiais, nome que deriva da dirección que define o fluxo de aire a través do ventilador. Estes dous tipos divídense en varios subtipos que se desenvolveron para proporcionar características particulares de caudal/presión, así como outros atributos operativos (incluíndo tamaño, ruído, vibración, limpeza, mantemento e robustez).
Táboa 1: Datos de eficiencia máxima de ventilador publicados nos Estados Unidos e en Europa para ventiladores con diámetro >600 mm
Algúns dos tipos de ventiladores máis frecuentes nos sistemas de climatización enuméranse na táboa 1, xunto coas eficiencias máximas indicativas que se recolleron1 a partir de datos publicados por unha serie de fabricantes estadounidenses e europeos. Ademais destes, o ventilador «de enchufe» (que en realidade é unha variante do ventilador centrífugo) experimentou unha popularidade crecente nos últimos anos.
Figura 1: Curvas xenéricas dos ventiladores. Os ventiladores reais poden diferir moito destas curvas simplificadas.
As curvas características do ventilador móstranse na Figura 1. Trátase de curvas esaxeradas e idealizadas, e os ventiladores reais poden diferir destas; non obstante, é probable que presenten atributos similares. Isto inclúe as áreas de inestabilidade que se deben á oscilación, onde o ventilador pode alternar entre dous caudais posibles á mesma presión ou como consecuencia do bloqueo do ventilador (véxase a caixa de bloqueo do fluxo de aire). Os fabricantes tamén deben identificar os rangos de traballo "seguros" preferidos na súa documentación.
Ventiladores centrífugos
Cos ventiladores centrífugos, o aire entra no impulsor ao longo do seu eixo e despois descárgase radialmente desde o impulsor co movemento centrífugo. Estes ventiladores son capaces de xerar tanto altas presións como caudais de alto volume. A maioría dos ventiladores centrífugos tradicionais están encerrados nunha carcasa de tipo espiral (como na Figura 2) que serve para dirixir o aire en movemento e converter eficientemente a enerxía cinética en presión estática. Para mover máis aire, o ventilador pode deseñarse cun impulsor de "dobre entrada de dobre ancho", o que permite que o aire entre por ambos os dous lados da carcasa.
Figura 2: Ventilador centrífugo en carcasa de espiral, cun impulsor inclinado cara atrás
Hai varias formas de aspas que poden formar o impulsor, sendo as principais curvadas cara adiante e as curvadas cara atrás: a forma da aspa determinará o seu rendemento, a eficiencia potencial e a forma da curva característica do ventilador. Os outros factores que afectarán a eficiencia do ventilador son o ancho da roda do impulsor, o espazo libre entre o cono de entrada e o impulsor en rotación e a área utilizada para descargar o aire do ventilador (a chamada "área de descarga").
Este tipo de ventilador tradicionalmente funcionaba mediante un motor con correa e polea. Non obstante, coa mellora dos controis electrónicos de velocidade e a maior dispoñibilidade de motores con conmutación electrónica («EC» ou sen escobillas), os accionamentos directos son cada vez máis utilizados. Isto non só elimina as ineficiencias inherentes a un accionamento por correa (que pode ser entre o 2 % e máis do 10 %, dependendo do mantemento2), senón que tamén é probable que reduza as vibracións, o mantemento (menos rolamentos e requisitos de limpeza) e faga que o conxunto sexa máis compacto.
Ventiladores centrífugos curvos cara atrás
Os ventiladores curvados cara atrás (ou "inclinados") caracterízanse por ter aspas que se inclinan en dirección contraria á de rotación. Poden alcanzar eficiencias de arredor do 90 % cando se usan aspas de perfil aerodinámico, como se mostra na Figura 3, ou con aspas lisas con forma tridimensional, e lixeiramente menos cando se usan aspas curvadas lisas, e aínda menos cando se usan aspas simples de placa plana inclinadas cara atrás. O aire sae das puntas do impulsor a unha velocidade relativamente baixa, polo que as perdas por fricción dentro da carcasa son baixas e o ruído xerado polo aire tamén é baixo. Poden pararse nos extremos da curva de funcionamento. Os impulsores relativamente máis anchos proporcionarán as maiores eficiencias e poden empregar facilmente as aspas con perfil aerodinámico máis substanciais. Os impulsores delgados mostrarán poucos beneficios do uso de perfiles aerodinámicos, polo que tenden a usar aspas planas. Os ventiladores curvados cara atrás son especialmente coñecidos pola súa capacidade para producir altas presións combinadas con baixo ruído e teñen unha característica de potencia sen sobrecarga; isto significa que a medida que a resistencia se reduce nun sistema e o caudal aumenta, a potencia consumida polo motor eléctrico reducirase. É probable que a construción dos ventiladores curvados cara atrás sexa máis robusta e bastante máis pesada que a dos ventiladores curvados cara adiante, menos eficientes. A velocidade relativamente lenta do aire a través das aspas pode permitir a acumulación de contaminantes (como po e graxa).
Figura 3: Ilustración dos impulsores dun ventilador centrífugo
Ventiladores centrífugos de curvatura cara adiante
Os ventiladores curvados cara adiante caracterízanse por un gran número de aspas curvadas cara adiante. Como normalmente producen presións máis baixas, son máis pequenos, máis lixeiros e máis baratos que o ventilador equivalente curvado cara atrás. Como se mostra na Figura 3 e na Figura 4, este tipo de impulsor de ventilador incluirá máis de 20 aspas que poden ser tan sinxelas como formarse a partir dunha única folla de metal. As melloras na eficiencia obtéñense en tamaños máis grandes con aspas formadas individualmente. O aire sae das puntas das aspas cunha alta velocidade tanxencial e esta enerxía cinética debe converterse en presión estática na carcasa, o que resta eficiencia. Normalmente úsanse para volumes de aire baixos ou medios a baixa presión (normalmente <1,5 kPa) e teñen unha eficiencia relativamente baixa, inferior ao 70 %. A carcasa de espiral é particularmente importante para lograr a mellor eficiencia, xa que o aire sae da punta das aspas a alta velocidade e úsase para converter eficazmente a enerxía cinética en presión estática. Funcionan a baixas velocidades de rotación e, polo tanto, os niveis de ruído xerados mecánicamente tenden a ser menores que os dos ventiladores curvados cara atrás de maior velocidade. O ventilador ten unha característica de potencia de sobrecarga cando funciona con baixas resistencias do sistema.
Figura 4: Ventilador centrífugo de curvatura cara adiante con motor integral
Estes ventiladores non son axeitados onde, por exemplo, o aire está moi contaminado con po ou leva pingas de graxa arrastradas.
Figura 5: Exemplo de ventilador de enchufe con accionamento directo e aspas curvadas cara atrás
Ventiladores centrífugos de palas radiais
O ventilador centrífugo de palas radiais ten a vantaxe de poder mover partículas de aire contaminado a altas presións (da orde de 10 kPa), pero, ao funcionar a altas velocidades, é moi ruidoso e ineficiente (<60 %), polo que non se debe usar para sistemas de climatización de uso xeral. Tamén sofre dunha característica de sobrecarga de potencia: a medida que se reduce a resistencia do sistema (quizais pola apertura dos amortecedores de control de volume), a potencia do motor aumentará e, dependendo do tamaño do motor, pode "sobrecargarse".
Ventiladores de enchufe
En lugar de montarse nunha carcasa de espiral, estes impulsores centrífugos deseñados especificamente pódense usar directamente na carcasa da unidade de tratamento de aire (ou, de feito, en calquera conduto ou cámara de aire), e o seu custo inicial probablemente sexa menor que o dos ventiladores centrífugos encapsulados. Coñecidos como ventiladores centrífugos "plénum", "de enchufe" ou simplemente "sen carcasa", estes poden proporcionar algunhas vantaxes de espazo pero ao prezo dunha perda de eficiencia operativa (sendo as mellores eficiencias similares ás dos ventiladores centrífugos curvados cara adiante encapsulados). Os ventiladores aspirarán aire a través do cono de entrada (do mesmo xeito que un ventilador encapsulado) pero despois descargarán o aire radialmente arredor de toda a circunferencia exterior de 360° do impulsor. Poden proporcionar unha gran flexibilidade de conexións de saída (desde a cámara de aire), o que significa que pode haber menos necesidade de curvas adxacentes ou transicións bruscas nos condutos que á súa vez aumentarían a caída de presión do sistema (e, polo tanto, a potencia adicional do ventilador). A eficiencia xeral do sistema pode mellorar mediante o uso de entradas de campá nos condutos que saen da cámara de aire. Unha das vantaxes do ventilador de enchufe é o seu mellor rendemento acústico, derivado en gran medida da absorción do son dentro da cámara de aire e da falta de vías de "visión directa" desde o impulsor ata a boca da rede de condutos. A eficiencia dependerá en gran medida da localización do ventilador dentro da cámara de aire e da súa relación coa saída (a cámara de aire utilízase para converter a enerxía cinética do aire e, polo tanto, aumentar a presión estática). O rendemento e as diferentes estabilidades de funcionamento dependerán do tipo de impulsor; utilizáronse impulsores de fluxo mixto (que proporcionan unha combinación de fluxo radial e axial) para superar os problemas de fluxo derivados do forte patrón de fluxo de aire radial creado mediante impulsores centrífugos simples3.
Para unidades máis pequenas, o seu deseño compacto adoita complementarse co uso de motores EC facilmente controlables.
Ventiladores axiais
Nos ventiladores de fluxo axial, o aire pasa a través do ventilador en liña co eixe de rotación (como se mostra no ventilador axial de tubo simple da Figura 6); a presurización prodúcese mediante sustentación aerodinámica (similar á á dun avión). Estes poden ser comparativamente compactos, de baixo custo e lixeiros, especialmente axeitados para mover aire contra presións relativamente baixas, polo que se usan con frecuencia en sistemas de extracción onde as caídas de presión son menores que nos sistemas de subministración; a subministración normalmente inclúe a caída de presión de todos os compoñentes de aire acondicionado da unidade de tratamento de aire. Cando o aire sae dun ventilador axial simple, estará xirando debido á rotación impartida ao aire ao pasar polo impulsor; o rendemento do ventilador pode mellorar significativamente mediante as paletas guía augas abaixo para recuperar o remolino, como no ventilador axial de paletas que se mostra na Figura 7. A eficiencia dun ventilador axial vese afectada pola forma da pala, a distancia entre a punta da pala e a carcasa circundante e a recuperación do remolino. O paso da pala pódese modificar para variar eficientemente a saída do ventilador. Ao invertir a rotación dos ventiladores axiais, tamén se pode invertir o fluxo de aire, aínda que o ventilador estará deseñado para funcionar na dirección principal.
Figura 6: Un ventilador de fluxo axial tubular
A curva característica dos ventiladores axiais ten unha rexión de estancamento que pode facelos inadecuados para sistemas cunha ampla gama de condicións de funcionamento, aínda que teñen a vantaxe dunha característica de potencia sen sobrecarga.
Figura 7: Un ventilador axial de fluxo de paletas
Os ventiladores axiais de paletas poden ser tan eficientes como os ventiladores centrífugos curvados cara atrás e son capaces de producir caudais elevados a presións razoables (normalmente arredor de 2 kPa), aínda que é probable que creen máis ruído.
O ventilador de fluxo mixto é un desenvolvemento do ventilador axial e, como se mostra na Figura 8, ten un impulsor de forma cónica onde o aire se aspira radialmente a través dos canais de expansión e despois pasa axialmente a través das paletas guía endereitadoras. A acción combinada pode producir unha presión moito maior que a posible con outros ventiladores de fluxo axial. A eficiencia e os niveis de ruído poden ser similares aos dun ventilador centrífugo de curva cara atrás.
Figura 8: Ventilador en liña de fluxo mixto
A instalación do ventilador
Os esforzos para proporcionar unha solución eficaz para o ventilador poden verse gravemente prexudicados pola relación entre o ventilador e as vías locais de condución do aire.
Data de publicación: 07-01-2022