VENTILADORES DE FLUJO AXIAL FUNDAMENTOS Los ventiladores axiales, tambin llamados ventiladores de flujo axial, incluyen tpicamente los tipos o clases de ventiladores en los cuales el volumen de aire o gas que fluye a travs de la hlice se traslada esencialmente paralelo al eje sobre el cual est montado dicho ventilador. Pueden consistir desde simplemente un ventilador o hlice acoplada directamente a un motor trabajando individualmente o series de helices trabajando conjuntamente en etapas. Probablemente la visualizacin ms comn de los ventiladores axiales consisten en hlices formadas a partir de algn tipo de centro o disco central al cual se le anexan un nmero de palas. El conjunto disco central y palas puede ser monoblock, i.e. mecanizado a partir de una nica pieza de fundicin, o probablemente ms frecuente, armado a partir de elementos como los mencionados, un disco central tambin a veces llamado cubo, y las palas o paletas. Para aumentar an ms la variedad linguistica, estas ltimas tambin son referidas como alas o aletas. Si bien se consideran ventiladores de baja presin, 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 cadas de presin, como puede verse en distintos diseos multietapa. Las formas ms comunes de las palas o aletas pueden variar desde simplemente diseos rectos hasta palas extremadamente sofisticadas de tipo aerodinmico o airfoil. Probablemente este ultimo tipo, inspirado en el mismo principio de funcionamiento que las alas de un avin, sea el ms difundido. En el caso de aviones, el diseo es aerodinmico tanto de la seccin del ala como las palas de las propias helices. Este diseo es de seccin caractersticamente elongada, partiendo desde un borde de vanguardia relativamente romo que enfrenta el esfuerzo y luego afinndose 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 relacin espesor del perfil sobre ancho de cuerda , ptimamente entre digamos 12 y 15%, permite la optimizacin del mximo cociente de los coeficientes aerodinmicos, i.e. Cl / Cd. Los diseos contemporneos de secciones aerodinmicas disponibles hoy en da mayoran considerablemente perfiles como el legendario Clark Y de la pre-guerra (WWII). En las configuraciones de flujo denominado inducido, el ventilador de alguna manera explusa o aleja la masa de aire o gas circundante, vaco que de alguna manera el aire o gas residente en el otro subespacio tender a llenar. Del punto de vista del ventilador axial tendremos una zona o regin de mayor presin y una zona o region de menor presin y por lo tanto deberemos prestar atencin a posibles intentos del aire o el gas de escaprsenos hacia adentro sea en las cercanas del disco central o en la luz entre la punta de la pala y la pared del cilindro envolvvente.

Del punto de caractersticas constructivas destacamos el denominado ngulo de ataque (esttica o dinmicamente variable o fijos), ancho de cuerda (usualmente afinndose hacia la periferia y esanchndose en direccin al disco central), curvatura, espesor y cantidad de palas. La relacin de dimetros, i.e. entre el dimetro del disco central y el dimetro del propio ventilador o hlice es fundamentalmente importante en lo que refiere al servicio previsto. Para el movimiento de grandes caudales de aire o gas teniendo que vencer valores pequeos de cada de presin dicho cociente de dimetros puede ser correspondientemente pequeo. Para el caso de tener que vencer cadas de presin 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 plstico 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 clsico cilindro envolvente en prfv para recuperacin de energa. Punto muy importante en la instalacin y empleo de ventiladores axiales lo constituye la luz o separacin entre los extremos de las palas y la pared del cilindro envolvente. En los casos en que la cada de presin es menor esta distancia puede no ser tan crtica. Sin embargo, en general el mecanizado e instalacin de las palas se realiza de procurar minimizar esta distancia lo ms posible. En ausencia de mejor pauta podemos pensar en que dicha distancia no supere el 0.3% del dimetro de la hlice. Si por ejemplo, el dimetro del ventilador es e.g. 4.88m (16) la luz no debera exceder 1.5 cm (= 4.88 * .003). No siempre vemos respetar esta legendaria recomendacin!! Industrialmente los materiales de construccin 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 electrolticamente, hierro galvanizado por inmersin en caliente o en cierto casos, tambin aluminio. Por aos 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 fabricacin en aluminio puede ser clsicamente a partir de fundicin y posterior mecanizado o mediante lneas de extrusin. En general todo fabricante o diseador responsable mantiene cierta proporcin entre la cantidad de las palas y el servicio a prestar. Puede ser a partir de frmulas que relacionan el nmero de palas con el cociente P de dimetros (disco central vs. hlice), e.g. n = 6*P/(1-P), o rangos de distribucin de BHP soportable por cada pala, e.g. entre 20 y 25 HP por pala para un ventilador de dmetro 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: 1. 2. 3. 4. costo "razonable" menor BHP asociado menores niveles de ruido menores costos de mantenimiento

Si el criterio de eleccin es exclusivamente segn el punto 1., favorito de la oficina de compras, es muy probable que la economa de corto plazo se mediatice casi de inmediato o incluso ocasione perjuicios ($$$). Todos sabemos que ventiladores axiales de menor dimetro probablemente resulten de menor costo que idnticas unidades de dimetro mayor. Cuando se hace la suma teniendo en cuenta las facturas elctricas las cosas cambian. El ahorro generado por el empleo de ventiladores axiales de mayores dimetros compensa con creces su inversin inicial. Es pattico ver una multiplicidad de digamos diez (10) ventiladores de pequeo dimetro en unidades de lnea cuando un diseo de tres (3) celdas implicara un 25% de abatimiento en BHP a igualdad de servicio trmico. Un clsico de reposicin lo constituye rotura de palas fabricadas en plsticos de ingeniera no todos los plsticos son aptos. Es frecuente tambin or argumentos comerciales de ventiladores axiales de diseo 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. As 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 ltimos duplican el BHP requerido, lo cierto es que el ruido de la cascada del agua es el mayor contribuyente!!! Por otro lado el diseo axial poco admite atenuacin sea mediante menores rpm o sordinas que requieren pasar al prximo tamao de motor. Hace poco recibimos una solicitud de cotizacin que impona que la velocidad perifrica del ventilador axial a instalar no superase los 5,000 fpm. Ninguno de los varios programas de clculo de ventiladores axiales de diferentes y queridos proveedores mundiales nos permiti seleccionar con valores tan bajos INVALID ENTRY!! Es algo muy fuerte an cuando ni sali de la computadora

APLICACIONES Los ventiladores axiales son dispositivos de volumen constante, esto es, dado un sistema especfico, cada rotacin de la hlice a velocidad dada mover idntico nmero de metros cbicos de aire o gas. Si por ejemplo el ventilador mueve 169901 m3/h ( 100,000 ACFM) a 21.1C (70F), mover esos 169901 m3/h (100,000 ACFM) a 36.7C (98F). La diferencia es que esta ltima temperatura el aire pesa un 5% menos y la potencia en el eje requerida sera un 5% menos. De la misma manera, para una temperatura de bulbo seco de 36.7C (98F) tanto la presin esttica como debida a velocidad sern un 5%, correspondiendo al valor del cociente de densidades (0.95). Antes de llevar a cabo cualquier desarrollo numrico en lo relativo a dimensionamiento o seleccin de ventiladores axiales, es importante reunir las definiciones y frmulas o leyes que grandemente simplifican la visualizacin e interpretacin tanto de clculos como resultados. Sin un orden especfico anotamos entonces las siguientes ecuaciones y definiciones de trabajo, a saber: ACFM = caudal de aire en condiciones de campo, i.e. pie cbico por minuto, e.g. 250,000 CFM (424755 m3/h) Ps = presin esttica, e.g. 0.5 (12.7 mm CA) Sigma = cociente densidad de aire objetivo / densidad de aire en condiciones std D = dimetro de ventilador, e.g. 14 (4.27m) d = dimetro de disco central, e.g. pie, 2.25' (27") AREA =rea efectiva de ventilador = ( D^2 d^2) / 4 (sq.ft.) f = factor de dimetro efectivo f = D^2 / (D^2 d^2) C = ancho de cuerda, e.g. 0.33 (4), 0.5 (6), 0.67 (8), 1 (12) segn sea RPM = revoluciones por minuto de la hlice N = cantidad de palas Iremos introduciendo todas las otras definiciones y formulas ya empleando aplicaciones con juegos de datos concretos

APLICACION # 1: ACFM = 250,000 CFM y Ps = 0.5 w.g. en condiciones standard Un nmero bastante comn en el contexto de ventiladores axiales lo configura el valor 12,000 nada mgico en realidad pero muy frecuentemente asociado como primer valor o valor por omisin para la velocidad perifrica, i.e la velocidad del extremo o la punta de la pala expresado en pie por minuto. Estos 12,000 fpm corresponden a por ejemplo 12000 fpm / ( 60 * 3.28) = ca. 61 m/s, o bien sea 220 km/h o ca. 137 mph (=220*0.62137) . Nota la velocidad perifrica de palas de turbinas para generacin elica, e.g. dimetro 12.2m (40) puede rondar 8800 fpm o 100 mph. Tomando dicho valor de 12,000 fpm para el dimensionamiento preliminar en nuestro caso y suponiendo por ejemplo el empleo de un ventilador de digamos D =14 (4.27m) quedan automticamente determinadas las rpms a partir de la definicin de la velocidad perifrica: velocidad perifrica = * dimetro D * rpm Resultan pues: Rpm = 12,000 fpm / ( 3.1415 * 14) = 273 rpm Supongamos tambin correcto el empleo de solamente seis (6) palas con ancho de cuerda C igual a un pie o sea 12 (30cm), con lo que queda automticamente determinado el factor de solidez calculado a del radio, esto es; factor de solidez F = 2 * * 0.75 * R / ( N * C ) = 2 *3.1415 * 0.75 * 7 ( 6 * 1) = 5.5 Para conocer el rea efectiva debemos conocer el dmetro del disco central. Para un ventilador de este dimetro, i.e. 14 o 4.27m, podemos pensar que el dimetro del disco central ronde 68-70cm, o 27 o 2.25. Con esta suposicin el rea efectiva sale directamente: rea efectiva de ventilador AREA = ( D^2 d^2) / 4 = 3.1415 * (14^2-2.25^2) / 4 = 150 sq.ft. Aprovechamos ya para calcular el factor de dimetro efectivo f: factor de dimetro efectivo f = D^2 / (D^2 d^2) = 14^2 / (14^2-2.25^2)= 1.027 Podemos entonces calcular la presin por velocidad Pv a partir de su definicin, esto es Pv = ( ACFM / (4000 * AREA) )^2 * Al suponer en este caso condiciones standard (=1) por lo que Pv resulta

Pv = (250000 CFM / ( 4000 * 150 sq.ft.))^2 = 0.17 w.g. Luego la presin total Pt resulta de sencillamente sumar Ps y Pv como sigue: presin total Pt = Ps + Pv = 0.5 + 0.17 = 0.67 Estamos entonces en condiciones de calcular los dos argumentos ms importantes para determinar la eficiencia y el ngulo de ataque. En efecto calculemos a partir de las definiciones respectivas: factor coeficiente presin Prc = factor de solidez F * Pt / Pv = 5.5 * 0.67 / 0.17 = ca. 22 factor coeficiente cantidad Qc = factor de dimetro efectivo f * Q / ( RPM * D^3) = 1.027 * 250000 cfm / ( 273 rpm * 14^3) = 0.342 De la lectura directa de la curva de rendimientos publicada por cada fabricante, resulta en nuestro caso una eficiencia de poco ms de e = 0.74 y ngulo de ataque 17. El fan BHP o Air HP asociado a esta aplicacin resulta inmediatamente a partir de la definicin: Air HP = ACFM * Pt / ( 6356 * e) = 250,000 * 0.67 / ( 6356 * 0.74) = 35.6 HP

APLICACION # 2: ACFM = 250,000 CFM y Ps = 0.5 w.g. temperatura de bulbo seco 43.3C (110f) y altitud 305m (1,000) Es simplemente, nomgrafo o tabla mediante, recalcular todo con = 0.895 correspondiente al producto de T * A = 0.930 * 0.962, ajustes por temperatura y altitud respectivamente. El resultado final no cambia mucho en este caso pero tanto conceptual como tcnicamente es esencial relevar y emplear estos dos datos, i.e. temperatura de bulbo seco de diseo y altitud, en cualquier diseo profesional. Afortunadamente el resto del clculo es prcticamente inmediato a partir de planillas o programas de dimensionamiento/seleccin especializados. Debe tenerse en cuenta que estos ltimos no siempre resultan escalados de valores concretos resultantes de extensivos ensayos realizados sobre digamos en tneles y hlices de dimetro 5 (1.52m). Al igual que algunos programas de clculo de seleccin y dimensionamiento de difusores de aireacin para plantas de tratamiento, liberados para distribucin al pblico en general, an originales de fabricantes, los valores obtenidos por programa parecen querer redefinir las leyes de las distintas disciplinas. Los resultados ya en el campo resultan decepcionantes tanto para el proyectista como para el resto de los participantes, i.e. contratistas/integradores y naturalmente el usuario final.

BREVES COMENTARIOS FINALES Antes de terminar es importante agregar o repasar tres o cuatro puntos ms. El nivel de ruido asociado a un ventilador axial est en proporcin a casi la sexta potencia de la velocidad perifrica. Si bien una reduccin en los rpm no tiene porqu alcanzar a resolver una situacin, sera importante tener esto en cuenta antes de que est todo instalado. El intento de procurar posteriormente resolver la situacin con silenciadores o atenuadores puede no ser satisfactoria de ninguna manera. El empleo de envolventes cilndricos, fan stacks es extremadamente recomendado. Sin entrar en detalles ni rangos, puede por ejemplo lograr economas de 15% o ms. Esto es debido a que la envolvente cilndrica convierte una porcin de Pv en presin esttica. Esta recuperacin en presin esttica se traduce a la entreda de la hlice en presin de succin adicional. Dentro de las posibilidades prcticas de construccin siempre deber minimizarse la separacin o luz entre el extremo de las palas y las paredes del cilindro envolvente, considerndose excesivos valores mayores a 0.3% de separacin en relacin al dimetro de la hlice. Recordar que prcticamente es el tercio de la pala ms alejado es el que realiza la mayor cantidad de trabajo. El tercio central o interno prcticamente no contribuye nada al movimiento de aire y para el cual ser recomienda el empleo de pantallas o sellos en resina polister reforzada con fibra de vidrio. Debe tenerse en cuenta mantener en los diseos una cota superior en lo que respecta a Pv. No debe dejarse aumentar en forma desmedida - caso clsico de forzar demasiado aire en ventiladores de dimetro pequeo. Puede pensarse en disear o seleccionar con valores no mayores a e.g. 0.25 0.30 w.g. e incluyo probablemente un poquito menos. Favorecer el diseo, dentro de lo posible, dimetros generosos dado que minizarn prcticamente al mismo tiempo el BHP de la instalacin y la cantidad de conjuntos o unidades a emplear. Recurdese que el caudal manejable por helices geomtricamente similares es proporcional al cuadrado del cociente de dimetros. Veamos un ejemplo final ilustrativo para visualizar el beneficio concretamente. Supongamos que una aplicacin de ventiladores axiales es resoluble mediante seis hlices de dimetro 5 (60 o 1.52m). La pregunta sera cuntas helices de dimatro 8 (2.44m) se precisara para hacer el mismo trabajo? Haciendo el cuadrado del cociente de diametros vemos muy facilmente: (8 / 5) ^ 2 = 2.56 Un ventilador de 8 hace el trabajo de 2.56 hlices de 5. Luego mediante una sencilla regla de tres: 2.56 hlices de 5 -> 1 hlice de 8

6 hlices de 5

-> 1 * 6 / 2.56 = 2.34 hlices de 8

Luego con solamente tres conjuntos motoventiladores de 8 resolvemos la misma situacin groseramente hemos eliminado el 50% del equipamiento electromecnico. El BHP de la instalacin probablemente bajara de poco ms de 36HP a menos de 30 HP. No solamente pensamos en la disminucin de preocupaciones sino que una diferencia as, tanto en consumo como en montos, puede decidir la adjudicacin de la obra. Esto se naturalmente se acenta en instalaciones de mayor envergadura y de ah la necesidad de velar por una buena eleccin de ventiladores axiales en la seccin de aire.

BIBLIOGRAFA RECOMENDADA Y LITERATURA DE INTERS1. Madison, R.D. (ed.) Fan Engineering 5 th ed. Buffalo Forge, N.Y. 1949 2. Davidson, E.M. Axial Flow Fans and their Application to Cooling Towers Annual Meeting Presentation, Cooling Tower Institute, New Orleans, 1968 3. Monroe, R.C. Cooling Tower Fans Today and Tomorrow Annual Meeting Presentation, Cooling Tower Institue, 1974. 4. Hamilton, T.H. Motors for Cooling Tower Fans CTI 1964 TP-10A, 1964 5. Scwhinn, J.M. "Fan Performance Considerations in Cooling Towers" Annual Meeting Presentation, Cooling Tower Institute, Texas, 1977