Aplicaciones – Los ventiladores centrífugos son aplicados en calderas y en
servicio de calentadores de tiro forzado y servicio de recirculación de gas caliente, sistemas limpiadores de polvo y en equipos y construcción de sistemas de ventilación.
Comparación General de Tipos de Ventiladores – Los ventiladores centrífugos
son rutinariamente aplicados para incrementar la presión a unos 10 kPa (40 pulg de agua), existen modelos especiales a 22.5 kPa (90 pulg de agua). El bastidor es fabricado de láminas planas y curvas. Los impulsores de los ventiladores centrífugos están construidos en tres tipos principales de impulsores, caracterizados por la orientación del extremo de los álabes del impulsor: extremo inclinado hacia atrás, extremo radial y extremo inclinado hacia adelante. El ángulo del extremo (final de la descarga; el final de la entrada del álabe es llamado base) relativo para la dirección de rotación es el factor más importante que determina el rendimiento y otras características. Algunas otras variaciones, tienen menor efecto sobre las características de los ventiladores. Las características generales de los tres tipos pueden compararse tal como se muestra en la siguiente tabla.
CARACTERISTICAS RELATIVAS DE VENTILADORES CENTRIFUGOS
Características Extremos
Inclinados Hacia Atrás
Extremo Radial Extremo
Inclinado Hacia Adelante
Costos Iniciales Alto Mediano Bajo
Eficiencia Alto Mediano Bajo
Estabilidad de operación Bueno Bueno Pobre* Requerimiento de
Espacio
Mediano Mediano Pequeño Requerimiento de
Velocidad en los Extremos
Alto Mediano Bajo
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Características Extremo Inclinado Hacia Adelante Extremo Radial Extremos Inclinados Hacia Atrás Adecuado para Corrosión/ Revestimiento resistente a la Erosión
Mediano Alto Pobre
Adecuado para Aplicación de Altas Temperaturas
Regular Alto Bueno
Intersticio de Sólida Cerrada Largo Mediano Generación de Ruido Bajo Alto Más bajo
Las propiedades de los impulsores típicos de estos tipos comunes son los siguientes:
* Puede ser estable con controles propios y sistemas de diseño.
Tipo de Impulsor Relación diámetro de
entrada diámetro de la rueda
Relación ancho al diámetro
Extremo inclinado hacia atrás 0.75 0.26 Extremo radial (curvo hacia
adelante hasta la base)
0.78 0.35
Extremo radial (plano) 0.50 – 070 0.38 – 048 Extremo inclinado hacia
adelante
0.88 0.55
Número de Alabes – El número de álabes en un impulsor de un ventilador
centrífugo es seleccionado por el diseñador del ventilador de acuerdo a varios factores óptimos:
1. Un gran número de álabes minimiza del deslizamiento, por tanto incrementa el aumento de presión y capacidad.
2. Un gran número de álabes provee una estructura altamente rígida (impulsor cerrado).
3. Un pequeño número de álabes minimiza el costo de manufactura de unidades de pequeña capacidad.
El número típico de álabes de impulsores es como sigue:
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Tipo de Impulsores Número de
Alabes
Extremo Curvado hacia atrás, álabe de espesor delgado
12 a 16 Extremo curvado hacia atrás, álabe de forma
aerodinámica
8 a 12 Extremo radial, tipo de alta presión 10 a 24 Extremo radial, tipo escape 5 a 10 Extremo inclinado hacia adelante 32 a 64
Alabe de Extremo Inclinados hacia Atrás
1. Los tipos más comunes son los de servicio de tiro forzado
2. Los tipos de mayor eficiencia, del 65 al 80% con álabes delgados, del 80 al 90% tienen álabes aerodinámicos. La curva de requerimiento de potencia con un máximo, por lo tanto no se sobrecargará a alto flujo y baja presión.
3. La curva de presión tiene una gradual declinación de presión en el lado de baja presión del punto pico de presión.
4. Variedades de álabes: álabes curvos, planos y de superficie aerodinámica
5. Se requieren velocidades mayores para otros tipos de ventiladores centrífugos, para las mismas condiciones de servicio.
6. Una alta proporción de la presión desarrollada, está en forma de presión estática.
Alabe de Extremo Radial
1. Es el tipo más común para servicios de inducido en la succión.
2. Es usado en servicios de sólidos aerotrasportados e impuros.
3. Usados en largos períodos de trabajo.
4. Son álabes protegidos contra erosión y corrosión.
5. La eficiencia está en un rango entre 50% y 70% con un 20% típico de presión desarrollada como velocidad.
6. Los requerimientos de potencia se incrementan continuamente a medida que el flujo aumenta.
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Alabes de Extremo Inclinado hacia Adelante
1. Escasamente usados en servicios de procesos.
2. Comúnmente se usan en calentamiento residencial y sistemas de aire acondicionado.
3. “Jaula de Ardilla” construcción con gran número de álabes bajos.
4. Requerimientos de baja velocidad lo que permite bajo nivel de ruido.
5. Eficiencia de 55 a 75%.
6. Tiene una penetración en la curva de presión sobre el lado de baja presión del punto pico de presión.
7. La curva de potencia se incrementa severamente a medida que el flujo aumenta requiriendo cuidadosa selección del accionador y del sistema de control.
8. Limitado a servicios de limpieza.
9. Su funcionamiento generalmente no es estable a velocidades del impulsor superiores a 20 m/s (65 pie/s).
10. Su capacidad de desarrollo es 10 veces mejor que la de un ventilador axial a la misma velocidad.
Ventiladores para Servicios a Altas Temperaturas – Los modelos de
ventiladores centrífugos están disponibles para temperaturas de gases hasta 540°C (1000°F), para servicios con tiro de combustión inducida y recirculación de gases calientes. Los impulsores para circulación de aire están colocados en el eje entre la carcaza y los cojinetes, a fin de proteger los cojinetes y el acoplamiento de altas temperaturas. Los cojinetes lubricados con sistemas de circulación de aceite se utilizan en estos casos. La velocidad empleada por el diseñador del ventilador para servicios a altas temperaturas es menor que las velocidades usadas para servicios a temperatura ambiente, típicamente hasta un 96% máximo a 230°C (450°F) y 75% a 425°C (800°F).
Los impulsores radiales son usados normalmente de tal forma que la altura requerida puede ser obtenida con un mínimo de velocidad. Se deberá consultar con los especialistas en maquinaria cuando se consideren aplicaciones específicas.
5.4
Sopladores de Presión
Una clase de pequeños ventiladores centrífugos de alta presión existen entre el rango normal 10 kPa (40 pulg de agua) y el bajo extremo de los compresores centrífugos de alta resistencia (r = 1.3). Estas máquinas son llamadas ventiladores
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producen presión hasta de 22.5 kPa (90 pulg de agua) para flujos de alrededor de 1.4 m3/s (3000 pie3/min). Normalmente son usados impulsores radiales especialmente diseñados para altas velocidades. Algunos modelos emplean multietapa. Los servicios en este rango requieren de especificaciones individuales, ya que las especificaciones estandarizadas no están disponibles.
5.5
Servicios en Hornos de Tiro Forzado
Ver Prácticas de Diseño (versión 1986) Sección 8G “Hornos, en Sistemas de Tiro Forzado”.
5.6
Control de Ventiladores Centrífugos
Los métodos comunes de control de los ventiladores centrífugos (el primero de los tres es disponible para operación manual o automática) aplicados en servicios de procesos de planta son los siguientes:
Guías Móviles en los Alabes de Entrada estas son posicionadas para responder
a la señal de control por la variación del ángulo de prerotación del gas de entrada y por lo tanto, de la variación de cantidades de trabajo del ventilador para poder convertirla en presión. Este método es eficiente pero requiere de equipos más costosos que los reguladores. La potencia consumida con el control de los álabes internos hasta un 75% del flujo normal es alrededor del 75% de la normal, contra casi el 90% de la normal con los reguladores de salida. Este método de control es recomendado para calentadores accionados por motor y ventiladores de calderas.
Los reguladores de los orificios del flujo de gas, (cualquiera de los dos, ya sea
en la entrada o salida del ventilador) se utilizan para variar la curva de resistencia del sistema, y por lo tanto, mueven el punto de operación a lo largo de la curva presión/flujo del ventilador. Este método malgasta la potencia a bajo flujo, pero utiliza equipos de bajo costo.
Los Impulsores de las Turbinas a Vapor con Velocidades Variable – mueven
las curvas presión/flujo hacia arriba y abajo por las leyes de los ventiladores, a fin de ajustar el flujo. Este método es eficiente pero requiere que la turbina a vapor sea lo más económicamente seleccionada y requiere un regulador más costoso que el normalmente suministrado con la turbina a vapor, de propósitos generales. La capacidad de presión a la descarga del ventilador, decrece a medida que la velocidad es reducida, y esto no es conveniente en algunos servicios de ventiladores.
El control de las velocidades variables puede venir acompañado con motores de velocidad variables o motores de velocidad constante con acoplamiento de fluido o acoplamiento magnético. Estos son escasamente usados debido al incremento en costo de equipos y mantenimiento.
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correas es ampliamente aplicado para ventiladores de grandes diámetros con velocidades por debajo del nivel de velocidades de un motor de 6 polos (16 a 19 rev/s (960 a 1150 rpm)), para tamaño de accionadores por encima a 115 kW (150 HP) y para servicios generales. Estos comúnmente se usan en ventiladores de intercambiadores enfriado con aire. La transmisión por correas en V puede ser utilizada en conjunción con las guías de los álabes y reguladores. Los cambios del rendimiento resultan de los ajustes en las velocidades, y podrían estimarse si se utilizan los álabes de los ventiladores Ver Prácticas de Diseño (versión 1986) Sección 11E “Compresores Centrífugos”.
Requerimientos para el Diseño y Construcción de Ventiladores Centrífugos
Para servicios donde la unidad funciona largos períodos, menores de 8000 horas, los especialistas en maquinarias dan asistencia para determinar la excepciones que deben tomarse para minimizar costos en equipos. Hornos de reformación catalítica y calderas a vapor con ventiladores de tiro forzado algunas veces requieren menos de 8000 horas de funcionamiento continuo y en consecuencia permite el uso de ventiladores de propósito general.
5.7
Curvas de Rendimiento de los Ventiladores
La Figura 3 presenta curvas de rendimiento típicas de varios tipos de ventiladores comunmente usados.
6
GUIA PARA EL DISEÑO
Ver PDVSA–MDP–02–K–02 para los procedimientos a ser seguidos para servicios de compresores generales. Alguno de los pasos pueden ser omitidos para el diseño de servicio de ventiladores.
Ver Prácticas de Diseño, (versión 1986) Vol.V, Sec. 9 para procedimientos de diseño de intercambiadores. Ver Prácticas de Diseño, (versión 1986) Vol.IV, Sec. 8 para procedimientos de diseño de servicio de ventiladores de tiro forzado de hornos.
Para otros tipos y servicios de ventiladores, consultar con especialistas en maquinarias.
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7
NOMENCLATURA
En unidades métricas
En unidades inglesas
A = Area transversal a la salida del ventilador m2 pie2 em = Eficiencia mecánica adim. adim. es = Eficiencia estática adim. adim. N = Velocidad rev/s rpm
Fi = Factor cuyo valor depende de las unidades usadas (ver tabla al final)
Pa = Potencia del aire kW HP PB = Presión barométrica kPa pulg de Hg Ps = Presión estática del caudal kPa pulg de agua
Pt = Presión total del caudal kPa pulg de agua
Pv = Presión del caudal de velocidad kPa pulg de agua
PEV = Aumento de la presión estática de
ventilador kPa pulg de agua PF = Potencia al freno kW HP PVT = Aumento de la presión total del ventilador kPa pulg de agua
PVV = Aumento de la presión de velocidad de un
ventilador kPa pulg de agua Q = Flujo a la descarga m3/s pie3/min
T = Temperatura °k °R Vm = Velocidad promedio de flujo m/s pie/min
ρ = Densidad kg/m3 lb/pie3
Factores cuyo valor depende de las unidades usadas
En unidades métricas En unidades inglesas F7= Ec.(2) 5 x 10–4 1/11.20 3 x 10–6 F8 = Ec. (3) 3.492 1.325 F9= Ec. (4) 1 1.57 x 10–4 F10 = Ec. (7) 1.2014 0.075
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Fig 1. METODOS PARA MEDIR PRESIONES EN UN DUCTO DE AIRE
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Fig 3. CURVAS DE RENDIMIENTO TIPICO DE VENTILADORES COMUNMENTE USADOS