Principios de ventiladores

PRINCIPIOS FISICOS DE CARGA MECANICA
EL VENTILADOR

Un ventilador es una máquina que se encarga de poner en movimiento un gas proporcionándole energía por medio de un incremento de presión. Dado que esta diferencia de presiones es muy pequeña se puede considerar a un ventilador como una maquina hidráulica, es decir una maquina en la que el fluido se comporta como un fluido incompresible(Líquido), por lo que el tratamiento matemático aplicado a los ventiladores es similar al aplicado a hélices de buque, bombas centrifugas etc.
La figura 1 muestra una clasificación general de las máquinas, donde se observa la ubicación de los ventiladores.

FIGURA 1. Clasificación general de las máquinas.
En mecánica de fluidos se define la presión total ejercida por un fluido sobre una superficiecomo:
Pt=Pe+Pd…………….. (1)
Dónde:
Pt= Presión total.
Pe= Presión estática.
Pd= Presión dinámica.
La presión estática es la ejercida por un fluido que no sea debida a su movimiento o velocidad y es perpendicular a las superficies que contienen el fluido. La presión dinámica actúa en el sentido de movimiento del fluido y en el caso del ventilador se opone a su movimiento, dicha presión se definecomo:
Pd=12ρV2…………….. (2)
Donde V es la velocidad del fluido y ρ su densidad.
La velocidad V dependerá del caudal de fluido que mueva el ventilador, de la superficie y forma geométrica de las palas del rotor y de la velocidad angular del ventilador por lo tanto puede decirse que:
Vfluido=k*ωrotor……. (3)
Es decir la velocidad del fluido es proporcional a la velocidad de giro del motor, endonde la constante k es un factor que depende de la geometría de las palas del rotor del ventilador y del caudal, por lo tanto la presión total ejercida por el fluido sobre el ventilador será:

Pt=Pe+12ρ(k*ωrotor)2…………. (4)
Donde la presión estática se obtiene experimentalmente y dependerá del medio en el que se mueve el fluido (Ductos etc), por lo general para descargas libres es decir paraventiladores que no se accionen en tuberías la presión estática es cero.
La presión por su parte se define como:
P=FS…………………. (5)
Donde F es fuerza y S es el área de la superficie de acción de dicha fuerza. Dado que en este caso se estudia un movimiento circular la fuerza de la expresión 5 se convierte en un par de fuerzas o torque expresado como:
τ=F x L………. (6)
Despejando de la ecuación 5 ysustituyendo la ecuación 4, y dado que P=Pt se puede decir que:
F=S*(Pe+12ρ(k*ωrotor)2)………….. (7)
τ=(C+K*(ωrotor)2) x L………(8)

Dónde:
C=S*Pe
K=S*12ρk
De esta forma se verifica que el par en un ventilador es proporcional al cuadrado de la velocidad de giro de forma que:
τ α (ωrotor)2……………. (9)
La potencia por su parte se define como:
P=τ*ωrotor…………………(10)
Por lo que tomando la relación deproporcionalidad 9 se tiene que:
P α (ωrotor)3………(10)
Por lo que se demuestra que la potencia requerida por un ventilador aumenta con el cubo de su velocidad de giro.
TIPOS BASICOS DE VENTILADORES.
La figura 2 muestra los 3 tipos básicos de ventiladores junto a sus curvas de P vs Q (presión estática vs caudal) para un mismo diámetro y velocidad de accionamiento, se observa que para un mismopunto de caudal los ventiladores centrífugos dan más presión que los heliocentrifugos y estos a su vez más presión que los helicoidales.

FIGURA 2. Tipos básicos de ventiladores y curvas P vs Q para cada uno
Según la figura 2 se observa que los ventiladores centrífugos funcionan para bajos caudales y altas presiones mientras los helicoidales pueden mover grandes caudales pero a bajas bajaspresiones, estas características permiten definir qué tipo de ventilador será el más conveniente para una determinada aplicación.

CURVAS CARACTERISTICAS DE LOS VENTILADORES.
Las curvas más importantes de los ventiladores serán las curvas de presión Vs caudal, eficiencia vs caudal y potencia absorbida vs caudal, la figura 3 muestra el conjunto de curvas características de un ventilador....