2. 2
RESUMEN
La regulación de las prestaciones de los ventiladores pretende dar respuesta a un problema y
puede plantearse tanto desde la perspectiva de tener que aumentarlas como para disminuirlas
La ventilaciónmecánica puede definirse como un método físico que utiliza un aparato mecánico
para el soporte artificial de la ventilación y la oxigenación, cuando el sistema respiratorio es
insuficiente. Aunque los sistemas de ventilaciónconpresión negativay circuitosextracorpóreos
podrían responder a esta definición, este capítulo se centrará en la utilización de una presión
positiva para efectuar el soporte ventilatorio mecánico.
Tradicionalmente se hanutilizado lostérminos«ventilador»y «respirador»de formaindistinta;
sin embargo, el ventilador sólo proporciona el movimiento de gases dentro y fuera de los
pulmones (ventilación) y no asegura el intercambio molecular de oxígeno y dióxido
de carbono alveolocapilar (respiración), por lo que debería reservarse el nombre de «ventilador
mecánico» para estas máquinas capaces de ventilar.
El objetivo principal de la ventilación mecánicaes la sustitución total o parcial de
la función ventilatoria, mientras se mantienen niveles apropiados de PO2 y PCO2
en sangre arterial y descansa la musculatura respiratoria. El soporte ventilatorio constituye la
principal razón para el ingreso de los pacientes en la unidad de cuidados intensivos
3. 3
INDICE
PAG.
1. REGULACIÓN DE LOS VENTILADORES ………………………………4
2. INSTALACIÓN Y MANTENIMIENTO………………………………..……8
3. NIVEL SONORO…………………………………………………..………..9
4. EFECTO DE INSTALACIÓN DE COMPUERTAS……….…………9
4.1 Compuertas a la entrada…………………………….…………11
4.2 Compuertas a la salida…………………………………..…………14
5. LEYES DE FUNCIONAMIENTO………………………………..………15
5.1. Variación de d, permaneciendo constantes n y D……………..15
5.2. Variación de n, permaneciendo constantes d y D……….…….16
5.3. Variación de D, permaneciendo constantes d y n……..………16
6. CALCULOS Y TABULACIONES ……………………………………….16
PRIMERA REGULACION (Se realizo las tabulaciones Ǿ = 1.5”)………….19
SEGUNDA REGULACION (Se realizo las tabulaciones Ǿ = 4.5”)…………19
7. CONCLUSIONES……………………………………………..….21
8. RECOMENDACIONES ……………………………………….…22
4. 4
1. REGULACIÓN DE LOS VENTILADORES
Muchas veces se nos presenta el problema de tener que variar las prestaciones de
un ventilador acoplado a una instalación como por ejemplo, porque se ha de
adaptar a diferentes regímenes de funcionamiento o bien debidoa una modificación
de la instalación de las prestaciones iniciales, intercambio de calor sea el caso, se
han visto modificadas.
La regulación de las prestaciones de los ventiladores pretende dar respuesta al
anterior problema y puede plantearse tanto desde la perspectiva de tener que
aumentarlas como para disminuirlas. Ver Fig. 1
Fig. 1. Regulación prestaciones de los ventiladores
Regulación por disminución de prestaciones
La regulación por disminución de las prestaciones de los ventiladores se efectúa
principalmente mediante los siguientes sistemas:
• Compuertas
• Regulación por by-pas
• Regulación de velocidad
5. 5
• Variación ángulo álabes
Escoger uno u otro de estos sistemas dependerá de un conjunto de criterios como
son: zona de regulación, ahorro energético, coste de la inversión, ruido, etc.
La Tabla 1 da una orientación sobre las zonas de regulación y, dentro de éstas, las
que son posibles y las recomendadas para cada uno de los sistemas mencionados.
VENTILADOR
SISTEMA DE
REGULACIÓN
ZONA DE
REGULACIÓN
POSIBLE
ZONA DE
REGULACIÓN
RECOMENDADA
de a % de a %
CENTRÍFUGO
Y HH ICOIDAL
Compuerta 100 70 100 90
By-Pas 100 0 100 80
Reg.
Velocidad
100 20 100 20
HELICOIDAL Ángulo álabes 100 0 100 0
Tabla 1. Sistemas y zonas de regulación
La elección de uno u otro sistema se efectúa teniendo en cuenta la zona de
regulación que puede servir satisfactoriamente el consumo energético y el nivel
sonoro que ocasionan, así como el coste inicial de la instalación.
Entre los diferentes parámetros a tener en cuenta antes de elegir uno u otro sistema
de regulación, un lugar preferente lo ocupan el apartado económico -dividido en
gastos de mantenimiento y de instalación- y el nivel sonoro.
VI.8.- REGULACIÓN Y CONTROL DEL CAUDAL
La regulación de caudal se puede efectuar de las siguientes maneras:
a) Regulación de caudal por variación de la característica de la red a n = Cte,
estrangulando la válvula de impulsión
b) Regulación de caudal por variación de la característica del ventilador, variando
el nº de rpm,
6. 6
- Por orientación de una corona directriz a la entrada
- Por orientación de los álabes móviles
- Por estrangulamiento con válvula de by-pass
c) Regulación de caudal por variación simultánea de las características de la red y
del ventilador, variando escalonadamente la velocidad y el estrangulamiento
d) Regulación a n = Cte, estrangulando la válvula de impulsión.- Los ventiladores
centrífugos tienen la característica pa = f(Q) de pendiente positiva dpa/ dQ > 0 y así
la potencia de accionamiento disminuye al disminuir el caudal lo cual es favorable
En los ventiladores axiales, muchas veces la curva pa = f(Q) tiene pendiente
negativa dpa/dQ < 0 , y la regulación por estrangulamiento resulta muy desfavorable
La influencia del tipo de rodete en la economía de este procedimiento de regulación
que estamos estudiando se hace patente en la Fig VI.19, que muestra las curvas
(Δp, Q) y (pa , Q) de cuatro tipos de ventiladores con álabes, I curvados hacia
adelante; II de salida radial; III curvados hacia atrás y IV radiales. Estas curvas
están trazadas en % del caudal de ηtot que en este caso no es el máximo. Al
disminuir el caudal en un 50% la potencia de accionamiento Na disminuye sólo un
8% en el rodete III; mientras que en los 3 restantes se reduce al 20% de la potencia
nominal. Al aumentar el caudal el aumento es menor en los ventiladores II, III y IV
que en el I. Como la regulación por estrangulamiento se emplea generalmente para
reducir el caudal, se deduce de la Fig VI.19 que los ventiladores con álabes
curvados hacia atrás no se prestan a este tipo de regulación En la regulación por
estrangulamiento hay una doble pérdida, en el ventilador y en la válvula. En general
las pérdidas inherentes a este tipo de regulación son tanto mayores cuanto más
intensa es la regulación, (cuanto más disminuye el gasto). Los grupos en los que el
ventilador se acciona mediante un motor eléctrico de inducción de corriente alterna
7. 7
son muy frecuentes, sobre todo en potencias pequeñas; si no permiten variación
de la velocidad, se prestan mucho al tipo de regulación estudiado.
8. 8
2. INSTALACIÓN Y MANTENIMIENTO
En la Fig. 2 se ha esquematizado, para ventiladores de una cierta potencia, y desde
una inversión mayor a una de menor, el gasto de instalación inicial que puede
representar adoptar uno u otro sistema de regulación.
Fig. 2. Coste inicial
Fig. 3. Consumo de energía
En la Fig. 3 el esquema se ha efectuado partiendo del consumo de energía, es decir
del mantenimiento o del rendimiento de la instalación
Escoger uno u otro sistema deberá hacerse teniendo también en cuenta la zona de
regulación prevista. Si la regulación no ha de ser inferior al 85% del caudal máximo
entonces cualquier sistema puede ser eficaz dependiendo de los periodos de
funcionamiento a régimen reducido. Si, por el contrario, la regulación ha de ser
inferior al 60% del caudal máximo, entonces la mejor solución será un motor de
velocidad regulable.
9. 9
3. NIVEL SONORO
Los niveles de presión acústica admisibles en los sistemas de ventilación y
acondicionamiento de aire obligan, en la mayoría de casos, a prestar una atención
particular al ruido. La Fig. 4 muestra esquemáticamente y de peor a mejor el
comportamiento de los sistemas de regulación anunciados. En el caso de la
regulación mediante compuertas el nivel sonoro incluso aumenta al disminuir el
caudal del ventilador por lo que este sistema de regulación sólo es aconsejable para
bajas correcciones del caudal.
Los niveles de presión acústica admisibles en los sistemas de ventilación y
acondicionamiento de aire obligan, en la mayoría de casos, a prestar una atención
particular al ruido. La Fig. 4 muestra esquemáticamente y de peor a mejor el
comportamiento de los sistemas de regulación anunciados. En el caso de la
regulación mediante compuertas el nivel sonoro incluso aumenta al disminuir el
caudal del ventilador por lo que este sistema de regulación sólo es aconsejable para
bajas correcciones del caudal.
Fig. 4. Nivel acústico
4. EFECTO DE INSTALACIÓN DE COM PUERTAS
Un ventilador y una compuerta (persiana) acoplada, constituyen un sistema
ventilador-compuerta, lo que constituye mucho más que la simple suma de dos
elementos del equipo.
Ambos pueden operar independientemente uno de otro pero su funcionamiento es
totalmente interdependiente. Debido a esta relación de interdependencia debe
10. 10
prestarse una especial atención para hacer una acertada selección y acoplamiento
del ventilador y la compuerta.
En este sistema el ventilador comunica energía al aire que lo hace circular a través
del ventilador-compuerta porque es sumamente necesario considerar como se
mueve el aire para entender el rendimiento del uso de esta energía y los factores
que le afectan.
A pesar de que el uso de las compuertas no presenta, tal como se ha dicho, unas
características óptimas, se utilizan ampliamente para bajas correcciones del
caudal.
Al plantear la instalación de una compuerta o de cualquier otro accesorio a un
ventilador, debe tenerse en cuenta que el aire, tanto a la entrada como a la salida,
se mueve en tres direcciones creando unos remolinos que, según se muevan o no
en la misma dirección de los álabes del ventilador, originarán un funcionamiento
mejor o peor del conjunto compuerta-ventilador. En la Fig. 5 se han ilustrado estos
remolinos para ventiladores centrífugos y axiales.
Fig. 5. Sistema ventilador-compuerta
Debido a lo anteriormente expuesto la instalación de compuertas tiene unas ciertas
limitaciones, y que, en algunos casos, no es aconsejable. En la Tabla 2 se han
resumido las limitaciones para la instalación de compuertas a la entrada o a la salida
11. 11
de los ventiladores. En caso de ventiladores axiales, de extremar el cierre de
persiana, puede originarse sobrecarga del motor eléctrico
Compuerta a la: Adecuada para ventiladores:
-Entrada
Centrífugos
Axiales
-Salida Centrífugos
Tabla 2. Limitaciones para la instalación de compuertas
4.1 Compuertas a la entrada
El control del caudal mediante compuertas a la entrada es preferible al control
efectuado mediante compuertas instaladas a la salida. Desde el punto de vista
energético el control a la entrada es más eficiente.
Los tipos de compuertas que suelen acoplarse a la entrada de los ventiladores
pueden verse en las Figs. 6 y 8. Las de álabes variables, tipos A y B, constan
de un conjunto de álabes que pueden orientarse a la vez en la misma dirección
y han de instalarse de tal manera que dirijan el aire rotando en la dirección
del giro del rodete para interferir lo mínimo con el flujo natural del aire dentro
del ventilador y evitar ruidos excesivos.
12. 12
Fig. 6. Compuerta a la entrada del ventilador
Fig. 7. Gráfico de compuerta a la entrada
13. 13
Fig. 8. Compuerta a la entrada del ventilador
Este tipo de compuertas son adecuados para ventiladores centrífugos de todos los
tipos excepto cuando el rodete sea del tipo de álabes hacia delante. Generan un
remolino espiral del mismo sentido y dirección que los álabes de los ventiladores;
se le llama pre-rotación. Pueden instalarse de dos formas:
• Integradas con la boca de carga del Ventilador.
• Cilíndricas, acopladas al conducto de entrada del aparato.
Cuando las compuertas se suministran integradas por el fabricante, la curva
característica del conjunto incluye el efecto de la compuerta.
En cambio, si son acopladas el efecto del sistema debe tenerse en cuenta en la
selección inicial del ventilador. Unas gráficas facilitadas por el fabricante permiten
calcular dicho efecto en la presión en función de la velocidad del aire en la entrada.
Otro tipo de compuertas es el construido mediante lamas, tipos C y D, siendo
preferibles las lamas opuestas a las lamas paralelas. Fig. 8.
Cuando sea necesario instalar compuertas a la entrada de ventiladores axiales
éstas deben colocarse a una cierta distancia de la hélice del ventilador para que la
vena se uniformice antes de alcanzar al aparato a menos que, como se ha dicho,
los álabes de la compuerta den al aire la misma dirección que la inclinación de los
álabes del ventilador. Esta distancia L depende de las características geométricas
del diseño de la hélice del ventilador axial. Fig. 9.
14. 14
Fig. 9. Ventilador axial
4.2 Compuertas a la salida
Ya se ha dicho que este tipo de compuertas se aplica únicamente a los ventiladores
centrífugos y dentro de estos únicamente cuando las salidas son cuadradas o
rectangulares.
Los tipos de compuertas que se acoplan a la salida de los ventiladores pueden
verse en la Fig. 10.
El tipo de compuerta adecuado para cada aplicación depende de las características
del recinto en el que descarga el ventilador. Así, si el recinto de descarga es amplio,
como en el caso de un plenum, cualquiera de las compuertas de la Fig. 10 es
adecuada.
15. 15
Fig. 10. Compuerta a la salida del ventilador
Si por el contrario el ventilador descarga en un conducto, el comportamiento del
sistema ventilador-compuerta queda muy influenciado si el aire choca o no contra
las paredes del conducto de descarga. Fig. 11. Así, el tipo con lamas opuesta es
mejor que el tipo de lamas paralelas
Fig. 11. Sistema ventilador-compuerta
5. LEYES DE FUNCIONAMIENTO
El funcionamiento de un ventilador está regido por tres parámetros fundamentales:
peso específico del aire que vehicula d, velocidad angular n y diámetro de la hélice
D. Cuando éstos varían, lo hacen también las características del ventilador. Vamos
a considerar seguidamente cada uno de los casos de variación de uno de los
parámetros permaneciendo constantes los otros dos:
5.1. Variación de d, permaneciendo constantes n y D.
Las características del ventilador están expresadas para un peso específico d = 1,2
Kg/m3. Variaciones de éste hacen
variar en proporción directa las presiones y la potencia absorbida por la hélice. El
caudal permanecerá invariable.
Siendo d' el nuevo peso específico se tendrá:
𝑄 = 𝑄′
𝑃′
=
𝑑′
𝑑
𝑃 𝑁′
=
𝑑′
𝑑
𝑁
16. 16
5.2. Variación de n, permaneciendo constantes d y D.
Variando la velocidad de rotación de la hélice, las características varían de la
siguiente manera:
𝑄′
=
𝑛′
𝑛
𝑄 𝑃 = (
𝑛′
𝑛
)2
𝑃 𝑁′
= (
𝑛′
𝑛
)3
𝑁
n' es el valor de la nueva velocidad
5.3. Variación de D, permaneciendo constantes d y n.
Esta relación sirve únicamente para ventiladores geométricamente semejantes.
Para un nuevo valor D' se tendrá:
𝑄′
= (
𝐷′
𝐷
)3
𝑄 𝑃 = (
𝐷′
𝐷
)2
𝑃 𝑁′
= (
𝐷′
𝐷
)5
𝑁
6. CALCULOS Y TABULACIONES
Los cálculos se realizaran para la polea (Ǿ = 3”)
Primero hallaremos la presión total en el sistema de ventilación
∆𝑃𝑇 = 𝑃𝑆 − 𝑃𝐸 +
𝜌2
2
(𝑉𝑆
2
− 𝑉𝐸
2
)
∆𝐻 =
∆𝑃𝑇
𝑔𝑥𝜌
𝑃𝑠 = 24 mm
𝑃𝐸 = −8 𝑚𝑚
𝜌𝑎𝑖𝑟𝑒 = 0.9475 𝑘𝑔/𝑚3
𝑉𝑆 = 26 𝑚/𝑠
𝑉𝐸 = 11 𝑚/𝑠
Luego calculamos la altura en el punto de operación del sistema
17. 17
∆𝑃𝑇 = 24 𝑚𝑚 − (−8 𝑚𝑚) +
0.94752
2
(262
− 112
)
∆𝑃𝑇 =381.13 Pa
∆𝐻 =
381.13
9.81𝑥0.9475
∆𝐻 = 41 m
Ahora calculamos el caudal en el punto de operación del sistema
𝐻𝑆𝐼𝑆 = 𝑅𝑋𝑄2
… (1)
𝑅 = 𝑅1 + 𝑅2
Hallando las perdidas primarias y secundarias
𝑅1 =
8𝑥𝐿1𝑥𝑓1
𝜋2𝑥𝑔𝑥𝑑5
+
8(𝐾𝑒𝑠𝑡𝑟1 + 𝐾𝑐𝑜𝑑𝑜)
𝜋2𝑥𝑔𝑥𝑑5
𝐿1 = 1.5𝑚
𝑓1 = 0.008
𝑑 = 7 "
𝐾𝑒𝑠𝑡𝑟1 = 2.53
𝐾𝑐𝑜𝑑𝑜 = 0.24
𝑅1 =
8𝑥1.5𝑥0.008
𝜋29.81𝑥(7𝑥0.0254)5
+
8(2.53 + 0.24)
𝜋2𝑥9.81𝑥(7𝑥0.0254)4
𝑅1 = 234
Para :
𝐿1 = 3𝑚
𝑓1 = 0.008
𝑑 = 4 "
𝑅2 =
8𝑥3𝑥0.008
𝜋29.81𝑥(4𝑥0.0254)5
18. 18
𝑅2 = 183.17
𝑅 = 𝑅1 + 𝑅2
𝑅 = 234 + 183.17
𝑅 = 417.77
Reemplazando los datos calculados en la ec. 1
41 = 417.77𝑥𝑄2
𝑄 = 0.313 𝑚3
/𝑠
Hallando la ecuación para la curva del ventilador
Ecuación General:
𝐻𝑉 = −𝐾 𝑥 𝑄2
+ 𝑎 ………. (2) . a = const
Entonces realizamos la siguiente igualdad:
∆𝐻𝑥𝜌𝑎𝑔𝑢𝑎𝑥𝑔 = 𝜌𝑎𝑖𝑟𝑒𝑥 𝑔 𝑥 𝐻𝑉
𝐻𝑉 =
∆𝐻𝑥𝜌𝑎𝑔𝑢𝑎
𝜌𝑎𝑖𝑟𝑒
𝐻𝑉 =
41 𝑥 10−3
𝑥 1000
0.9475
𝐻𝑉 = 43.27 m
Reemplazando datos en la ecuación 2
Para: Q = 0
a = 43.27
Para: Q=0.313 m3/s , H = 41 m
K = 23.62
Por lo tanto la ecuación para la curva del ventilador quedara de la siguiente
manera :
𝐻𝑉 = −23.62 𝑥 𝑄2
+ 43.27
21. 21
GRAFICA DEL SISTEMA Y SU REGULACION
9. CONCLUSIONES
Los cálculos realizados con un cambio en las poleas nos muestran
como es realmente el funcionamiento de la maquina o el ventilador y
variación de datos
Se llego a la conclusión que el caudal es de 0.33 m3/s y la altura de
presión es de 43 m en el punto de operación para la primera
regulación y un caudal es de 0.285 m3/s y la altura de presión es de
38 m
El rendimiento en el punto de operación fue del 32 % siendo un
rendimiento bajo para la potencia del motor de 3 HP
-6
-4
-2
0
2
4
6
8
10
12
14
16
18
20
22
24
26
28
30
32
34
36
38
40
42
44
46
48
50
0 0.1045 0.209 0.3135 0.418 0.5225 0.627 0.7315 0.836 0.9405 1.045 1.1495 1.254 1.3585 1.463
Chart Title
22. 22
10.RECOMENDACIONES
Se recomienda analizar detenidamente los fallos del sistema en el
ventilador
Los cálculos y diagramas es recomendable hacerlo en un software
para tener datos precisos
Realizar un mantenimiento al ventilador ya que su eficiencia es baja
