FUNDAMENTOS

Los ventiladores industriales axiales, también llamados ventiladores de flujo axial, incluyen típicamente los tipos o clases de ventiladores en los cuales el volumen de aire o gas que fluye a través de la hélice se traslada esencialmente paralelo al eje sobre el cual está montado dicho ventilador. Pueden consistir desde simplemente un ventilador o hélice acoplada directamente a un motor trabajando individualmente o series de helices trabajando conjuntamente en etapas.

Probablemente la visualización más común de los ventiladores axiales consisten en hélices formadas a partir de algún tipo de centro o disco central al cual se le anexan un número de palas. El conjunto disco central y palas puede ser monoblock, i.e. mecanizado a partir de una única pieza de fundición, o probablemente más frecuente, armado a partir de elementos como los mencionados, un disco central también a veces llamado cubo, y las palas o paletas. Para aumentar aún más la variedad linguistica, estas últimas también son referidas como alas o aletas.

Si bien se consideran ventiladores de baja presión, e.g. digamos 0.4"-0.8" w.g. (10mm - 20mm CA) es posible y frecuente agrupar o alinear una serie de helices a los efectos de vencer mayores caídas de presión, como puede verse en distintos diseños multietapa.

Las “formas” más comunes de las palas o aletas pueden variar desde simplemente diseños rectos hasta palas extremadamente sofisticadas de tipo aerodinámico o “airfoil”. Probablemente este ultimo tipo, inspirado en el mismo principio de funcionamiento que las alas de un avión, sea el más difundido. En el caso de aviones, el diseño es aerodinámico tanto de la sección del ala como las palas de las propias helices. Este diseño es de sección característicamente elongada, partiendo desde un borde de vanguardia relativamente romo que enfrenta el esfuerzo y luego afinándose progresivamente hacia el borde de retaguardia. La comba del perfil, esto es la distancia entre la mediana de espesores y la cuerda del perfil, es de fundamental importancia. Junto a la relación espesor del perfil sobre ancho de cuerda , óptimamente entre digamos 12 y 15%, permite la optimización del máximo cociente de los coeficientes aerodinámicos, i.e. Cl / Cd. Los diseños contemporáneos de secciones aerodinámicas disponibles hoy en día mayoran considerablemente perfiles como el legendario Clark Y de la pre-guerra (WWII).

En las configuraciones de flujo denominado tiro inducido, el ventilador de alguna manera explusa o aleja la masa de aire o gas circundante, “vacío” que de alguna manera el aire o gas residente en el otro subespacio tenderá a llenar. Del punto de vista del ventilador axial tendremos una zona o región de mayor presión y una zona o region de menor presión y por lo tanto deberemos prestar atención a posibles intentos del aire o el gas de escapársenos “hacia adentro” sea en las cercanías del disco central o en la luz entre la punta de la pala y la pared del cilindro envolvvente.

Del punto de características constructivas destacamos el denominado ángulo de ataque (estática o dinámicamente variable o fijos), ancho de cuerda (usualmente afinándose hacia la periferia y esanchándose en dirección al disco central), curvatura, espesor y cantidad de palas.

La relación de diámetros, i.e. entre el diámetro del disco central y el diámetro del propio ventilador o hélice es fundamentalmente importante en lo que refiere al servicio previsto. Para el movimiento de grandes caudales de aire o gas teniendo que vencer valores “pequeños” de caída de presión dicho cociente de diámetros puede ser correspondientemente pequeño. Para el caso de tener que vencer caídas de presión mayores, y en especial en las unidades multietapa, los fabricantes aumentan considerablemente dicho cociente, e.g. hasta 80%. Puede verse incluso en algunas instalaciones extensiones artificiales, i.e. accesorios en material plástico agregados o sobrepuestos a los discos centrales, de manera de dificultar o evitar flujo de aire negativo en el centro. No confundir esta pieza con el clásico “cilindro” envolvente ("stack") en prfv para recuperación de energía.

Punto muy importante en la instalación y empleo de ventiladores axiales lo constituye la luz o separación entre los extremos de las palas y la pared del cilindro envolvente. En los casos en que la caída de presión es “menor” esta distancia puede no ser tan crítica. Sin embargo, en general el mecanizado e instalación de las palas se realiza de procurar minimizar esta distancia lo más posible. En ausencia de mejor pauta podemos pensar en que dicha distancia no supere el 0.3% del diámetro de la hélice. Si por ejemplo, el diámetro del ventilador es e.g. 4.88m (16’) la luz no debería exceder 1.5 cm (= 4.88 * .003). No siempre vemos respetar esta legendaria recomendación!!

Industrialmente los materiales de construcción tradicionales para las palas son aleaciones de aluminio de alta calidad y alternativas en resinas polyester o epoxi reforzadas con fibra de vidrio. Los discos centrales por ejemplo pueden ser en acero galvanizado electrolíticamente, hierro galvanizado por inmersión en caliente o en cierto casos, también aluminio. Por años se ha procurado “abaratar” empleando palas de PVC, polipropileno, y otros materiales. Por distintas razones los resultados no han sido los esperados, vs. standard industrial. La fabricación en aluminio puede ser clásicamente a partir de fundición y posterior mecanizado o mediante líneas de extrusión.

En general todo fabricante o diseñador responsable mantiene cierta proporción entre la cantidad de las palas y el servicio a prestar. Puede ser a partir de fórmulas que relacionan el número de palas con el cociente P de diámetros (disco central vs. hélice), e.g. n = 6*P/(1-P), o rangos de distribución de BHP soportable por cada pala, e.g. entre 20 y 25 HP por pala para un ventilador de dámetro 9m (30’). Contrariar estas recomendaciones se traduce en fatiga, vibraciones, niveles de ruido excesivo y en algunos casos, colapso o rotura

Probablemente la suma de las siguientes virtudes es lo que debe desearse de cada ventilador axial:

costo "razonable"
menor BHP asociado
menores niveles de ruido
menores costos de mantenimiento

Si el criterio de elección es exclusivamente según el punto 1., favorito de la oficina de compras, es muy probable que la economía de corto plazo se mediatice casi de inmediato o incluso ocasione perjuicios ($$$). Todos sabemos que ventiladores axiales de menor diámetro probablemente resulten de menor costo que idénticas unidades de diámetro mayor. Cuando se hace la suma teniendo en cuenta las facturas eléctricas las cosas cambian. El ahorro generado por el empleo de ventiladores axiales de mayores diámetros compensa con creces su inversión inicial. Es patético ver una multiplicidad de digamos diez (10) ventiladores de pequeño diámetro en unidades de línea cuando un diseño de tres (3) celdas implicaría un 25% de abatimiento en BHP a igualdad de servicio térmico. Un clásico de reposición lo constituye rotura de palas fabricadas en plásticos de ingeniería – no todos los plásticos son aptos. Es frecuente también oír argumentos comerciales de ventiladores axiales de diseño innovador y “super silenciosos”. Hasta el momento las instancias que hemos testimoniado de “bajo ruido” simplemente no entregan el caudal de aire o gas previsto – todo es un compromiso. Así si bien es legendaria la disputa en ciertas instalaciones de torres de enfriamiento de agua para servicio residencial, i.e. ventiladores axiales vs ventiladores centrifugas, siendo que estos últimos duplican el BHP requerido, lo cierto es que el ruido de la cascada del agua es el mayor contribuyente!!! Por otro lado el diseño axial poco admite atenuación sea mediante menores rpm o sordinas que requieren pasar al próximo tamaño de motor. Hace poco recibimos una solicitud de cotización que “imponía” que la velocidad periférica del ventilador axial a instalar no superase los 5,000 fpm. Ninguno de los varios programas de cálculo de ventiladores axiales de diferentes y queridos proveedores mundiales nos permitió seleccionar con valores tan bajos – INVALID ENTRY!! Es algo muy fuerte aún cuando ni salió de la computadora…

ASB

Willie