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Ingeniería Mecánica: Ventiladores Centrífugos

En todo proceso industrial en general y particularmente en el proceso de fabricación del papel, el ventilador centrífugo es un equipo ampliamente usado. En una fábrica de papel existen multitud de sistemas que usan ventiladores centrífugos. Por ejemplo son usados para producir vacío en sistemas auxiliares de aspiración de tiras en los equipos de corte de bordes, para producir bajas presiones de inflado en el interior de las camisas flexibles de las prensas de zapata, como sistemas de extracción de vahos junto con separadores de gotas, en sistema de calentamiento junto con intercambiadores de calor, etc. La lista es muy amplia. Normalmente los ventiladores centrífugos, siempre y cuando estén correctamente dimensionados, son considerados equipos robustos, con un coste de mantenimiento relativamente bajo en comparación con otros, fáciles de mantener y con un escaso desgaste de su funcionalidad a lo largo del tiempo. En esta entrada os mostraré unos conceptos básicos para comprender el funcionamiento de estos equipos tan comunes. Desarrollaremos igualmente las tareas básicas para mantenerlos con un alto grado de fiabilidad y funcionalidad. Con todo ello podremos completar el conocimiento sobre estos equipos que, de forma tan habitual, encontramos en todo proceso de fabricación industrial.

Un ventilador no deja de ser una máquina rotativa hidráulica cuyo fluido bombeado se encuentra en fase gaseosa. Podemos definirla como una turbomáquina que utiliza la energía transmitida a su eje de rotación con el fin de generar la presión necesaria para mantener un caudal continuo del fluido que la atraviesa, generalmente aire. El ventilador consta de un motor de accionamiento, que en la mayoría de los casos será eléctrico, una carcasa que por lo general será en forma espiral para los ventiladores centrífugos o de forma tubular para los ventiladores axiales y, por último, un impulsor o rodete encargado de transformar la energía y generar el caudal de aire requerido. Según la forma de los álabes del impulsor clasificaremos a los ventiladores como radiales, axiales o mixtos.

Ventilador centrífugo con rodete triturador para aspiración de tira de papel

Ventilador de tipo axial

Los criterios de diseño de un ventilador son similares a los de las máquina hidráulicas, siempre y cuando el incremento de presión ΔP, sea también pequeño. Esto supone un cambio prácticamente despreciable en la densidad del gas que atraviesa la máquina. Dependiendo del valor del incremento de presión ΔP, podemos hablar de ventiladores (hasta 1.000 mm.c.a.) y de turbocompresores (superiores a 1.000 mm.c.a.). A su vez se distinguen los ventiladores de baja presión (ΔP hasta 100 mm.c.a.), de presión media (ΔP entre 100 y 300 mm.c.a.) y de alta presión (para ΔP entre 300 y 1.000 mm.c.a.). Como podéis observar, cuando se habla de ventiladores no se usa el término de altura de impulsión H usado en máquinas hidráulicas si no que empleamos el término de salto o incremento de presión total ΔP. La relación entre ambos términos viene dado por la expresión:

ΔP = ρgH

siendo ρ la densidad del fluido gaseoso que atraviesa el ventilador. Para el caso del aire ρ = 1,2 Kg/m³.

En esta ocasión hablaremos exclusivamente del ventilador centrífugo que, como toda máquina hidráulica, posee una curva característica similar a la de una bomba de tipo centrífugo. La principal diferencia entre una y otra es que, en vez de representar la altura total H en función del caudal Q como venimos haciendo en el caso de las bombas, en esta ocasión obtendremos para el ventilador una representación del incremento total de presión ΔP en función del caudal que lo atraviesa Q. Al igual que para el caso de las bombas centrífugas, la obtención de las curvas carcterísticas de un ventilador centrífugo debe hacerse mediante la utilización de un banco de ensayos en el cual pueda comprobarse el comportamiento del fluido al atravesar el sistema compuesto por el ventilador y su conducto.

Aplicando el principio de Bernoulli o ecuación de energía entre la salida S y la entrada E tenemos que

CodeCogsEqn1

Si consideramos que las alturas a la entrada y salida son iguales, es decir, CodeCogsEqn2 y que, además, la velocidad del aire a la entrada del ventilador, donde tenemos la presión atmosférica, es cero tenemos que

CodeCogsEqn3

Puede comprobarse que el incremento de presión proporcionado por el ventilador posee dos términos, el primero de ellos es la presión estática Pe medida a la salida del ventilador mediante un manómetro. El segundo es la presión dinámica Pd obtenida mediante la medida de la velocidad del aire a la salida del equipo, generalmente usando un tupo de Pitot. Si, además, tenemos una válvula montada a la salida del ventilador para variar la carga sore el mismo desde un caudal inicial máximo hasta un caudal Q = 0 m³/h estamos ya en disposición de obtener un tipo de curva característica, para un determinado tipo y diámetro de impulsor,  como la mostrada a continuación.

Representación de una curva tipo en la que aparecen los dos terminos de presión

Es importante mencionar que al igual que cualquier máquina rotativa de tipo centrífugo, el ventilador no genera presión sino caudal. La presión vendrá determinada por las características del sistema en donde se encuentre montado (diámetro de conducto, pérdidas de carga, grado de apertura de válvula, etc.). Puede así observarse que cuando la descarga es libre, es decir, cuando la presión estática es nula Pe = 0, el ventilador estará proporcionando el máximo caudal que pueda mover y en este punto la presión total será la presión dinámica proporcionada por la velocidad del aire, Pt = Pd. Igualmente, cuando la salida del ventilador se encuentra totalmente cerrada y no existe caudal, Q = 0, la presión dinámica es nula y en este punto la presión total es igual a la presión estática, Pt = Pe. A la vista de las curvas anteriores lo ideal sería elegir un ventilador de tal forma que el punto de trabajo estuviera próximo al punto donde se obtiene el rendimiento máximo, es decir, dentro del tramo A-B. Si estuvieramos trabajando en el tramo anterior, entre los puntos B-C, el rendimiento del equipo sería extremadamente bajo y el ventilador produciría una cantidad elevada de ruido. En algunos casos es posible encontrar que el fabricante únicamente proporciona el tramo de curva útil y no representa el resto de la curva. La curva característica de un ventilador es la mejor referencia del mismo, nos indicará en todo momento su comportamiento según el caudal y la presión que nos muestren los instrumentos de medida a la entrada y salida del mismo.

Ventilador centrifugo implementando un sistema de aspiración. Accionamiento por correas.

Con todo esto considero que el lector ha comprendido de manera básica los principios físicos del funcionamiento de un ventilador centrífugo, entendido éste como un equipo rotativo hidráulico. Generalmente el fabricante o suministrador del ventilador realiza, junto con la previa adquisición de los datos de partida como caudales, presiones, potencia, etc. la elección del ventilador más adecuado así como la determinación de su velocidad de giro usando las poleas de accionamiento adecuadas.

Los ventiladores centrífugos pueden alcanzar tamaños considerables

Generalmente los ventiladores centrífugos son sencillos de fabricar. Su diseño a base de chapa de acero plegada y curvada no es tan costoso ni complejo en comparación con otros equipos rotativos como pueden ser los impulsores de las bombas centrífugas (acero fundido y mecanizado). La filosofía de trabajo tambien es algo distinta en comparación con las mismas, no se suelen cambiar los impulsores de los ventiladores o desmontarlos para mecanizarlos y modificar su diámetro. Por el contrario, si es habitual cambiar, su velocidad de giro buscando el punto de trabajo a base de modificar el diámetro de las poleas cuando el ventilador es accionado por correas, por ejemplo.

Impulsor para un ventilador centrifugo fabricado en chapa de acero

El tipo de accionamiento también es importante sobre todo desde el punto de vista de su integración en el plan de mantenimiento existente en la planta. Así podremos encontrar ventiladores con accionamiento directo, usando algún determinado tipo de acoplamiento elástico y ventiladores provistos de accionamiento por transmisión, generalmente usando correas y poleas.

Los ventiladores centrífugos, como toda máquina rotativa, producirán vibraciones en mayor o menor medida. Las causas más habituales que producen un nivel de vibración más elevado de lo habitual son los desequilibrios producidos por depósitos de suciedad en los impulsores, las desalineaciones producidas en rodamientos o ejes deformados, la excentricidad provocada por el hecho de que el centro de rotación está fuera del centro geometrico, las holguras mecánicas o tornillos flojos, las fuerzas aerodinámicas (sobre todo producen vibraciones en conductos), las correas de transmisión no pareadas y motores eléctricos con problemas en rodamientos. Por todo ello debe aislarse la máquina de su entorno usando los medios más adecuados para ello, en este caso, deberá aislarse el bastidor del ventilador de su bancada de fijación mediante el empleo de silent-blocks como el mostrado en la figura siguiente.

Silent-block bajo el bastidor soporte de un ventilador

Bastidor de un ventilador centrifugo apoyado en estructura fija por medio de silent-block

Recomendaciones para el mantenimiento de ventiladores centrífugos

A continuación me gustaría indicar una serie de recomendaciones para mantener la funcionalidad de los ventiladores centrífugos. Son solo eso, recomendaciones. El lector deberá aplicar en cada caso la necesidad de llevar a cabo cada punto y la periodicidad adecuada en función de la criticidad, emplazamiento, condiciones de entorno, etc.

Sobre el ventilador:

  • Comprobar periodicamente depósitos, daños, la no existencia de corrosión e integridad de las fijaciones.
  • Comprobar la integridad del impulsor si aparecen vibraciones por desequilibrio.
  • Comprobar la no existencia de ruidos extraños en rodamientos.
  • Comprobar la temperatura de los soportes de rodamientos.
  • Lubricar soportes de rodamientos de acuerdo al plan de engrase.
  • Comprobar la integridad de conexiones flexibles con tuberías.
  • Comprobar la integridad de los soportes antivibraciones.
  • Comprobar la integridad de las protecciones si existiesen.
  • Comprobar el correcto funcionamiento de los drenajes si existiesen (atascos).
  • Comprobar el funcionamiento de los sensores de velocidad si existiesen.

Sobre el motor:

  • Comprobar visualmente la no existencia de suciedad, daños, corrosión y fijaciones flojas.
  • Comprobar el sensor de rotación si existiese.
  • Comprobar la no existencia de ruidos extraños en rodamientos.
  • Lubricar rodamientos de acuerdo al plan de engrase.
  • Comprobar la integridad de las protecciones.
  • Comprobar la integridad de las conexiones y sus cajas.

Sobre las correas de transmisión:

  • Comprobar visualmente la no existencia de suciedad, daños o desgastes.
  • Cambio periódico de correas (siempre el conjunto entero y por correas pareadas).
  • Comprobación de la correcta alineación y tensión (en parada y si fuera necesario).
  • Comprobar la integridad de las protecciones de la transmisión.

Sobre el acoplamiento:

  • Comprobar visualmente la no existencia de suciedad, daños o desgaste de sus elementos.
  • Comprobar la no existencia de ruidos extraños.

Bueno, de momento es todo. Espero que os resulte interesante. Por favor, enviad vuestros comentarios al respecto. Gracias.

Un saludo

mecantech@gmail.com
 
 
 
 
 
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  1. Mario
    01/11/2012 a las 08:25

    que tal mira aqui otra vez dando lata, en un problema del libro de Mataix dice “En la caja espiral se consigue un aumento de presion equivalente al 30% de altura de velocidad a la salida del rodete, en el cual las perdidas ascienden a un 25% de la misma altura de velocidad.” y quisiera saber a que se refiere o que datos se obtienen de esa redacción

    • 04/11/2012 a las 17:40

      Pues creo que te está dando el incremento de energía en el fluido (el 30%) convertido de energía mecánica a hidrodinámica (aumento de velocidad) y a la vez las perdidas de carga o energía en la caja. El global es positivo, si no, vaya un diseño…Un saludo.

  2. alejandro
    02/12/2015 a las 23:00

    Estimado mecantech
    Aprovecho de felicitarte por esta página, es excelente.

    Estoy atorado con unos cálculos, quiero calcular la potencia que gasta un ventilador centrífugo para mover el aire

    Pot. aire ventilador (Watt) = (Q x h x densidad de aire. g)/ n
    La x es signo de multiplicación.

    DATOS:
    Q= 2,45 m3/s
    h= 0,305 mcda
    densidad aire= 1,2 kg/m3 (aire seco a 20 grados Celcius a 0 msnm, 1 ATM)
    g= 9,81 m/s2 (aceleración gravedad)
    n= 0,62 (rendimiento del ventilador)

    Pot. aire = (2,45 x 0,305 x 1,2 x 9,81)/ 0,62

    Pot. aire = 14,19 Watt ???? porque me da tan poca potencia

    Consulte con formulas de catálogos de ventiladores y usan en la formula que escribí la densidad del agua (1000 kg/m3) y obviamente da una potencia mayor = 11823 Watt

    ¿Porque usan la densidad del agua y no la del aire?

    Saludos.

    • 03/12/2015 a las 07:39

      Hola Alejandro, revisa el dato de la altura porque es ínfima, muy pequeña. ¿Solo debes sacar aire a 0,0305 bar?, por eso necesitas tan poca potencia, creo yo. Un saludo.

      • alejandro
        03/12/2015 a las 14:22

        Gracias mecantech, entonces mis cálculos están correctos.

        Lo que no entiendo es porque las fábricas de ventiladores, calculan motores tan grandes. Busque ventiladores centrífugos radiales y para mover 2,45m3/s a 0,0305 bar, usan motores de 20 hp / 15000 watt.

        Mi única conclusión es que las fabricas de ventiladores y sopladores, calculan la potencia como si se tratara de bombear agua.

        Si en mis cálculos, usas la densidad del agua fria a 1ATM (1000 kg/m3) el resultado da 11823 watt y cuadra usar un motor de 20 hp

        ¿Mi pregunta es porque usar la densidad del agua si el ventilador mueve aire, o abra otra variable que desconozco?

      • 03/12/2015 a las 23:23

        La verdad es que yo también empiezo a dudar del cálculo que expones, ¿has comprobado las curvas características del ventilador que comentas?, lo digo porque con las curvas delante puedes salir de dudas. Me extraña mucho que un ventilador que mueve 2,45m3/s con un accionamiento de 15 kw solo llegue a alcanzar una presión de 0,03 bar, creo que tiene que haber algún error de unidades en algún por algún lado. Un saludo.

  3. alejandro
    04/12/2015 a las 00:18

    mecantech

    Échale una mirada a estas 2 páginas web de fabricantes:

    En esta sale un cálculo de potencia con una fórmula reducida, y llegan a una potencia muy alta de aire (15,8hp) para una presión cercana a 0,03bar (12 plg CA) y caudal de 2,45 m3/s (5200 pie3/min). Con estos datos hice mi cálculo

    http://www.airtectv.com/consumo-de-potencia-hp/

    Esta otra página es un catálogo de ventiladores centrifugos radiales de aire

    http://www.chiblosa.com.ar/spanish/catalogos/catalogos_espanol/FT-D99-SW-S-ALT-101.pdf

    si te fijas tambien usan motores muy grandes por ejemplo, el ventilador modelo 75/100, la curva de rendimiento muestra que a su máximo caudal de 40m3/min (0,66m3/s) a presión de 730mmca (0,73 mts) usan un motor de 20 hp (15000 watt)

    Según mi cálculo de potencia del aire seco a 21 grados celcius a 1 ATM, con densidad de 1,2 kg/m3 =

    Pot. aire. (watt) = 0,66 x 0,73 x 1,2 x 9,81 = 5,67 watt ????

    Si consideramos un bajo rendimiento del ventilador n= 35%, tenemos una potencia BHP=

    Pot. ventilador = 5,67 /0,35 = 16,2 watt ???

    ¿porque usan un motor tan enorme de 15000 watt?

    Como te decia antes, si repito mis cálculos pero remplazo la densidad del aire por la del agua, d h2O= 1000 kg/m3. El resultado es una potencia mucho mayor

    Pot. agua. (watt) = 0,66 x 0,73 x 1000 x 9,81 = 4726 watt

    Potencia ventilador = 4726/0,35 = 13503 watt, ahora me hace sentido un motor de 20hp.

    ¿porque usan según mi deducción, la densidad del agua para calcular el motor de un ventilador radial???

  4. Richardt
    15/05/2016 a las 13:40

    Interesante gracias por los datos, esto es asombroso ,pero mi interés principal es la aspiración de polvos causado por los embarques de grano de soja trigo maíz etc, como di mencionar las aletas para subcionar ese polvo atacándolo justo en el caño de descarga , el diseño lo tengo pero no la exactitud del caudal absorbido

    • 15/05/2016 a las 23:32

      Hola Richardt, no tengo experiencia ni conozco esa aplicación. Supongo que el vacío y caudal de aspiración tiene que ser dimensionado para llevarte el polvo generado pero los granos de cereal, ¿no suelen utilizarse separadores de tipo ciclónicos?. Un saludo.

  5. Hugo Cenen
    07/07/2016 a las 02:27

    La respuesta que usan los fabricantes es correcta.
    La diferencia está en que el dato de h esta en mdca (metros de columna de agua) y debes pasarla a mdcaire. Osea,: hairexdensidadaire=haguaxdensidadagua; luego haire=haguaxdensidadagua/densidadaire.
    Al reemplazar en la formula de potencia, te da el dato que entrega el fabricante.

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