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Leyes Ventiladores

 

 

 

LEYES DE VENTILADORES Y CURVAS DEL SISTEMA

El propósito de este capitulo es explicar el origen y aplicación de las reglas que se usan para predecir el funcionamiento de ventiladores en un sistema dado.

Sistema de Leyes

Las tres reglas fundamentales del funcionamiento de un ventilador son comúnmente llamadas las leyes de "ventiladores". Sin embargo, estas reglas son únicamente validas en un sistema fijo sin cambio en la aerodinámica o características del flujo del aire del sistema. Para el propósito de este capitulo un "sistema" es la combinación de ductos, cubiertas, filtros, rejillas, colectores, etc., a través de los cuales el aire es extraído o expulsado. De manera que estas reglas pueden además ser conocidas como leyes del "sistema".

Volumen y Presión

El movimiento de cualquier masa causa fricción con su entorno. El movimiento de aire a través de un sistema causa fricción entre el aire y sus contornos (las paredes del ducto, el medio filtrante, etc.) y el aire en sí mismo. La energía es necesaria para vencer esta fricción, o resistencia. El aire que es más rápido mueve la resistencia que es más grande para hacer fluir tanta energía como sea necesaria para extraer o expulsar el aire.

 

Esta energía está establecida en términos de presión. La porción de la presión que resulta en velocidad es conocida como presión de velocidad (VP). La porción necesaria para vencer la fricción en el aire y en el sistema es conocida como presión estática (SP). La suma de las dos es conocida como presión total (TP).

La ley de la física para movimiento está expresada algebraicamente como:

 

V = (2 gh ) 1/2 o V 2 = 2 gh


donde V = velocidad del flujo

g = fuerza de gravedad

h = presión causada por el flujo

 

La presión necesaria para causar el flujo es proporcional al cuadrado de la velocidad. En un sistema esto significa que SP variará con el cuadrado del cambio en la velocidad o el volumen expresado en pies cúbicos por minuto (CFM). Esto hace posible predecir todas las combinaciones posibles de SP en el correspondiente CFM dando cualquier relación calculada entre SP y CFM para un sistema fijo.

 

Por ejemplo, un sistema es calculado para requerir una presión estática igual a 2" c.a. en un rango de flujo de aire de 1000 CFM. Si se desea incrementar el flujo a 1500 CFM sin ningún cambio físico en el sistema, la SP requerida sería: (1500/1000) 2 x 2" = 4.5" SP.


El mismo cálculo usando cualquier número de clasificaciones de CFM variables resultarían en una curva trazada como se muestra en la Figura 1.1.

 


Sin importar el tamaño o tipo de ventilador o el flujo de volumen a través del sistema, la relación entre CFM y SP no cambiará a menos que el sistema se altere de alguna forma. SP siempre varía con el cuadrado del cambio en CFM. La excepción a esta regla se encontraría solo en un flujo laminar característico donde VP es mucho más importante que SP, tales circunstancias no son típicas de los sistemas de ventiladores.

 

Leyes de Ventiladores

 

Una analogía clara sería decir que un rotor de un ventilador actúa como una pala. Cuando gira descarga el mismo volumen de aire con cada revolución. Trabajando en conjunción con un sistema fijo, un ventilador descargará el mismo volumen de aire sin tener cuidado de la densidad del aire, despreciando los efectos de la compresión a altas presiones.

Si incrementa la RPM del ventilador, el ventilador descargará un volumen mayor de aire en una proporción exacta al cambio en la velocidad. Esta es la primera "ley de ventiladores."

•  CFM varía con

 

RPM (nuevo)

CFM (nuevo) = ------------------- x CFM (anterior)

(ant.)

 

En un sistema la SP varía con el cuadrado del cambio en CFM. Por lo tanto, cambia con el cuadrado del cambio de la velocidad del ventilador. Esta es la segunda "ley de ventiladores."

 

•  SP varía con (RPM) 2

 

RPM (nuevo) 2

SP (nuevo) = ------------------ x SP (anterior)

RPM (ant.)

 

La eficiencia de un ventilador es una función de su diseño aerodinámico y el punto de operación de su curva SP (ver la Figura 1.3). Cuando la velocidad del ventilador cambia, este punto relativo de operación se mantiene sin cambio cuando el sistema también se mantiene sin cambio. Así, la potencia al freno (BHP) del ventilador varía proporcionalmente con el cubo del cambio en RPM. Esta es la tercera "ley de ventiladores."

 

•  BHP varía con (RPM) 3

 

RPM (nuevo) 3

BHP (nuevo) = ------------------- x BHP (anterior)

RPM (ant.)

Nota: Cada una de estas relaciones de las "leyes de ventiladores" toman lugar simultáneamente y no pueden ser consideradas independientemente.

Curva del Ventilador y Sistema de Curvas

 

Cuando se establece previamente un sistema de curvas puede trazarse para mostrar todas las combinaciones posibles de SP y CFM para un sistema fijo dado. Cualquier ventilador usado en ese sistema debe operar en alguna parte del sistema de curvas.

 

El funcionamiento del ventilador es determinado por pruebas de laboratorio y es presentado gráficamente en la forma de curvas de ventiladores. A menos que sea alterado físicamente de alguna forma, un ventilador debe operar en alguna parte de su gráfica SP/CFM. Las formas relativas y las actitudes de esa gráfica no cambiará sin importar la velocidad del ventilador.

 

Porque el ventilador y el sistema pueden cada uno solo operar en alguna parte de sus propias curvas respectivas, un ventilador usado en un sistema fijo puede solo tener un punto de operación. El punto de operación, como se muestra en la Figura 1.3, es la intersección del sistema de curvas y la gráfica SP del ventilador.



Si se incrementa o reduce la velocidad del ventilador, el punto de operación se moverá hacia arriba o hacia abajo del sistema de curvas existente. Esto es mostrado en la Figura 1.4.

A continuación se dan dos ejemplos para mostrar la aplicación de las "Leyes de Ventiladores."

Ejemplo 1.1

Un ventilador ha sido seleccionado para entregar 35,530 CFM contra una SP de 8" . El ventilador corre a 1230 RPM y requiere 61.0 BHP.

 

Después de la instalación se desea incrementar la salida un 20%. A que RPM debe correr? Qué presión será desarrollada? Qué BHP es requerido?

 

•  CFM varía con RPM

(1230) (1.20) = 1476 RPM

•  SP varía con (RPM) 2

(1476/1230) 2 (8) = 11.52" SP

•  BHP varía con (RPM) 3

(1476/1230) 3 (61.0) = 105.4 BHP

 

Ejemplo 1.2

Un ventilador fue instalado para entregar 10,300 CFM a una SP de 2 ¼" y correr a 877 RPM requiriendo 5.20 BHP.

Después de la instalación se encontró que el sistema solo maneja 9,150 CFM a una SP de 2 ½" y usa 4.70 BHP. Esto indica que los cálculos originales fueron erróneos, o que el sistema no fue instalado de acuerdo a diseño. Qué RPM y BHP serán necesarios para desarrollar los 10,300 CFM deseados? Qué SP debe haber sido calculada?

•  CFM varía con RPM

(10,300/9,150) (877) = 987 RPM

•  SP varía con (RPM) 2

(987/877) (2.50) = 3.16"SP

•  BHP varía con (RPM) 3

(987/877) 3 (470) = 670 BHP

 

Conclusión

La exactitud de estas leyes de "ventiladores" o del "sistema" depende de un sistema fijo y de un ventilador no modificado de norma. Los componentes de un sistema como compuertas, o cambios de la densidad del aire crearán un sistema de curvas completamente nuevo. Tales accesorios de ventiladores como una caja (plenum) o una compuerta en la succión, un difusor en la descarga, alterarán la curva de funcionamiento del ventilador de norma. Antes de aplicar estas leyes se deben considerar estas variables.

En cálculos para el diseño de un sistema, estas leyes son útiles para determinar los criterios de funcionamiento alterno o para desarrollar un rango mínimo/máximo. Si se aplican los "factores de seguridad" a los cálculos del sistema, se debe considerar que un factor del 10 % en el volumen afectará la potencia (HP) en un 33 % de acuerdo a la tercera ley de ventiladores. Tal energía es muy costosa para desperdiciarla.

 

 

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