Sobretensión, estancamiento e inestabilidades en los ventiladores: los misterios de los contratistas

La figura 1 (página 7) muestra el flujo de un sistema ideal. Las figuras 2 a 5 (páginas 8 y 10) muestran una variedad de condiciones para la variación del flujo en el tiempo.

Aquellos involucrados en la medición de tasas de flujo saben que las condiciones de flujo ideales no son comunes. Cada punto de medición de flujo generalmente tiene un promedio de tiempo de 10 segundos o más para obtener una lectura precisa. Las variaciones en las lecturas de flujo y presión del 10% en períodos cortos de tiempo son relativamente comunes.

Sin embargo, los ventiladores que se seleccionan o aplican incorrectamente pueden producir variaciones mucho mayores que esto. Las condiciones pueden volverse tan severas que el flujo a través del ventilador puede oscilar entre avance y retroceso (flujo que sale de la entrada) muchas veces por minuto (consulte la Figura 4).

Las variaciones en el flujo y la presión no solo dificultan la medición del flujo, sino que también pueden crear una variedad de problemas:

Una comprensión de las causas del flujo inestable puede ser útil para evitar estos problemas. Debido a que algunas de las causas son complejas, los investigadores han mostrado cierto interés.

No ha habido un acuerdo uniforme en las conclusiones sobre cuáles son las causas exactas. Sin embargo, a partir de su investigación podemos aprender las condiciones que tienden a funcionar normalmente y evitar las condiciones que no lo hacen.

Este cambio de dirección (y velocidades relativas) permite que el ventilador genere presión. Si el ángulo de ataque se vuelve demasiado severo, el aire ya no seguirá la superficie de la hoja de manera uniforme.

La cantidad de desviación y la presión que se genera deja de aumentar y normalmente se reducirá. Esto se llama el punto de parada.

En un ventilador, las aspas normalmente giran a velocidad constante. Por lo tanto, para cambiar el ángulo de ataque, se debe cambiar el sistema al que se acopla el ventilador. Las tasas de flujo más altas a través de la entrada aumentan el ángulo de ataque; las tasas de flujo más bajas lo disminuyen.

Por lo tanto, si un ventilador está funcionando parado, es porque el cfm es demasiado bajo. En un sistema determinado, esto se debe a la selección de un ventilador que es demasiado grande (lo que hace que las velocidades del aire sean demasiado bajas en el ventilador).

En algunos ventiladores, el ángulo de ataque no es uniforme en todo el ancho de la pala. Por lo general, estos no son los ventiladores más eficientes, aunque la gravedad de la parada suele ser menor, ya que solo una parte de la hoja se detiene en cualquier caudal.

Algunas personas dicen que los ventiladores centrífugos de paletas radiales siempre están parados porque hay una mala coincidencia entre la velocidad direccional de la paleta y la del aire que se aproxima. Esto es esencialmente cierto. Sin embargo, estos tipos de ventiladores pueden tener flujos variables en el tiempo severos a velocidades de flujo muy bajas, ya que las pérdidas internas están dominadas por el estancamiento y la presión cae en este punto.

Un ventilador que funcione en el punto de parada o cerca de él, por lo general tendrá un aumento considerable del ruido. En algunos ventiladores sonará casi como si el impulsor estuviera siendo impactado por un objeto sólido (martilleo). La parada pura tiende a tener una frecuencia aleatoria, pero hay casos especiales en los que se genera una frecuencia pura. Esto se discutirá más adelante.

Existe una naturaleza variable en el tiempo para el flujo de un ventilador instalado. Sin embargo, esto normalmente no es la principal causa de preocupación. El aumento del ruido que se genera puede ser un problema, pero esto también se puede solucionar.

La mayor preocupación para un ventilador en funcionamiento es la posibilidad de daño mecánico. Aquellos que han tenido un viaje en avión lleno de baches tienen una idea de cuán severos pueden ser los impactos aerodinámicos.

Un ventilador que funciona continuamente instalado puede sufrir fatiga del metal estructural. Esto es especialmente cierto para los ventiladores de flujo axial que tienen aspas largas y delgadas o aspas fabricadas con láminas de metal.

Los ventiladores centrífugos son menos propensos a sufrir daños. Se sabe que los ventiladores centrífugos diseñados para presiones relativamente altas pero que funcionan a presiones muy bajas (menos de 1 pulgada sp) funcionan continuamente instalados durante muchos años sin sufrir daños.

Hay otra desventaja de tener un ventilador funcionando en parada. Significa que la eficiencia del ventilador es menos que óptima. Un ventilador de menor tamaño cuesta menos y tiene un menor costo operativo. También es probable que dure más que un ventilador más grande.

Estos ventiladores están encerrados en una carcasa tipo espiral que ayuda a generar la presión del ventilador. La presión alrededor de la periferia de la rueda del ventilador varía con respecto a qué tan cerca está de la salida del ventilador (donde es más alta). Estos ventiladores tienen varias aspas, generalmente de nueve a 12.

Llamaremos celda al pasaje entre cada cuchilla. El flujo a través de cada celda puede variar ya que varía la presión alrededor de la periferia. Cerca del punto de estancamiento, es posible que la mayoría de las celdas tengan el flujo directo normal, mientras que una o dos celdas tienen flujo inverso.

El aire que "sale a chorros" hacia atrás a través de estas celdas no tiene adónde ir, por lo que se mueve a una celda adyacente, desviando el aire que ya estaba viajando a través de ella. Este cambio de ángulo de ataque obliga ahora a esta celda a detenerse. Luego también tiene flujo inverso, pasa su burbuja de aire y sigue y sigue alrededor de la rueda del ventilador.

La mayoría de los investigadores han informado que la frecuencia de desplazamiento de esta parada giratoria se produce aproximadamente a dos tercios de las rpm de rotación del ventilador. Algunos han observado que dos celdas viajeras generan a la vez una frecuencia de cuatro tercios de rpm.

Hay otros informes de pérdida de rotación que van desde dos tercios hasta más del 90 % de la frecuencia de funcionamiento. Esta frecuencia se mostrará tanto en las mediciones de sonido como de vibración, pero normalmente se detecta por quejas de ruido.

Periódicamente, este sistema "eructaba" el fuego por la entrada del quemador. Este fue probablemente un caso severo de sobrecarga del sistema.

Los observadores describen comúnmente el sonido que hace un ventilador en movimiento como "zumbido" o "zumbido". Se deben cumplir varios criterios para tener un aumento:

En concepto, un sistema en onda es como un oscilador. La energía impartida al aire alterna entre la creación de energía cinética (alta velocidad en el conducto) y energía potencial (compresión del aire en la cámara). La pendiente positiva de la curva del ventilador permite que se produzca una gran amplificación de esta oscilación.

En condiciones extremas, el aire puede regresar temporalmente a través de la entrada.

En un sistema fijo, la frecuencia de sobretensión es constante. Por lo general, la frecuencia es lo suficientemente baja como para que pueda contar la cantidad de ciclos por minuto (cpm); es bastante audible. Los informes más graves se producen con una frecuencia inferior a 300 cpm. Un investigador informó que este efecto parece desaparecer a frecuencias superiores a 450 cpm.

En los sistemas de volumen variable, los sensores se utilizan para proporcionar información que controla amortiguadores, paletas, controles de velocidad u otros medios para establecer el caudal. Si el sistema de control responde demasiado rápido, corregirá en exceso y tendrá que reajustarse en la otra dirección.

En condiciones extremas, un sistema puede buscar continuamente de un lado a otro.

Algunos ventiladores no son estables para todos los rangos de flujo.

Caminar por la entrada (¡no intente esto!) de una centrífuga grande durante una prueba de aire hizo que el flujo se redujera en más del 15%. Este ventilador siguió funcionando al caudal más bajo hasta que se reinició la prueba.

Podemos determinar la estabilidad de un ventilador realizando dos pruebas de aire. En una prueba, comenzamos con flujo total (entrega gratuita) y medimos el flujo y la presión a medida que agregamos resistencia progresivamente. En la segunda prueba, comenzamos con el apagado y reducimos progresivamente la resistencia.

Ahora tenemos dos curvas de ventilador de flujo frente a presión. Si no se superponen, tenemos una región de inestabilidad. Dado que solo hay dos condiciones posibles en cualquier sistema, esto se denomina flujo biestable.

Aunque el ruido cambia entre las dos condiciones de flujo, ninguna es particularmente objetable. Si el ventilador está clasificado en la condición de flujo alto y se dispara a la condición más baja, la pérdida de flujo puede ser un problema.

Se ha observado flujo biestable en ventiladores centrífugos inclinados hacia atrás, generalmente con rendimientos cercanos a la entrega libre y casi siempre con caudales superiores a aquellos en los que se produce la mejor eficiencia.

Los fanáticos que tienen una gran caída en la región de pérdida pueden tener otro tipo de problema. Los ventiladores centrífugos vaneaxiales y de curva hacia adelante pueden tener grandes caídas.

El problema con los sistemas de flujo paralelo puede ocurrir en la secuencia inicial. Si los ventiladores tienen el tamaño adecuado y se encienden simultáneamente, no hay problema. Sin embargo, si un ventilador se inicia primero, el segundo ventilador ya está expuesto a la contrapresión mientras alcanza la velocidad.

A toda velocidad, puede surgir una condición en la que un ventilador esté funcionando a un caudal a la derecha del punto máximo de presión estática, mientras que el otro ventilador queda atrapado en el lado izquierdo del pico.

Es muy posible que dos ventiladores idénticos no compartan la carga por igual. Puede existir una condición más severa si ventiladores no idénticos están operando en paralelo.

Hace algunos años, se recibió una queja de un cliente sobre un sistema con dos ventiladores en paralelo. Después de instalar un segundo ventilador más grande en paralelo con un ventilador más pequeño que había estado en funcionamiento, el flujo combinado no fue el esperado. Las mediciones revelaron que el segundo ventilador por sí solo generaba más presión de la que el primer ventilador era capaz de generar en cualquier momento. punto de su curva de abanico. El ventilador original estaba completamente superado y el flujo salía de su entrada. Se aconsejó al cliente que apagara el ventilador original (ahorro de energía) y bloqueara sólidamente el ramal del conducto al ventilador original (tapando la fuga).

Aquí se aprendieron dos lecciones:

1. No mezcle dos ventiladores diferentes (ni opere dos ventiladores idénticos a diferentes velocidades) para la operación en paralelo.

2. Si se requiere más flujo en un sistema constante, aumente la capacidad de presión del ventilador o agregue un segundo ventilador en serie.

A todos nos gustaría simplemente conectar un ventilador a un sistema y tener un flujo constante y continuo. Sería bueno si los cálculos del sistema fueran ultra precisos, lo que facilitaría evitar puntos de funcionamiento incorrectos.

Sin embargo, en el mundo real, los ventiladores a menudo se aplican en condiciones menos que óptimas, y muchas veces en condiciones en las que es probable que se atasque. Incluso entonces, los problemas graves son raros.

Cuando ocurren problemas, existen métodos para identificar el tipo de problema y, una vez identificados, se pueden implementar soluciones.