Oleadas, paradas e inestabilidades en los ventiladores: los misterios de los contratistas

Mar 13, 2024

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 temporal del flujo.

Quienes participan en la medición de caudales saben que las condiciones de flujo ideales no son comunes. Generalmente se promedia el tiempo de cada punto de medición de flujo durante 10 segundos o más para obtener una lectura precisa. Son relativamente comunes variaciones en las lecturas de flujo y presión del 10% en períodos cortos de tiempo.

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 por la entrada) muchas veces por minuto (consulte la Figura 4).

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

Comprender las causas del flujo inestable puede resultar 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 pala de manera uniforme.

La cantidad de deflexión y la presión que se genera deja de aumentar y normalmente disminuirá. Esto se llama punto de pérdida.

En un ventilador, las aspas normalmente giran a velocidad constante. Por tanto, para cambiar el ángulo de ataque se debe cambiar el sistema al que está acoplado el ventilador. Los caudales más altos a través de la entrada aumentan el ángulo de ataque; caudales más bajos lo disminuyen.

Por lo tanto, si un ventilador funciona bloqueado, es porque los cfm son demasiado bajos. En un sistema determinado, esto se debe a que se selecciona un ventilador que es demasiado grande (lo que hace que las velocidades del aire en el ventilador sean demasiado bajas).

En algunos ventiladores, el ángulo de ataque no es uniforme en todo el ancho de la pala. Normalmente, estos no son los ventiladores más eficientes, aunque la gravedad de la pérdida suele ser menor ya que sólo una parte de las aspas se detiene en cualquier caudal.

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

Un ventilador que funciona en el punto de pérdida o cerca de él normalmente tendrá aumentos importantes de ruido. En algunos ventiladores sonará casi como si el impulsor estuviera siendo impactado por un objeto sólido (martillo). La pérdida 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 en puesto. Sin embargo, esto normalmente no es el principal motivo de preocupación. El aumento de ruido que se genera puede ser un problema, pero también se puede solucionar.

La principal preocupación de un ventilador que funciona estancado es la posibilidad de sufrir daños mecánicos. 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 en parada puede sufrir fatiga del metal estructural. Esto es especialmente cierto para los ventiladores de flujo axial que tienen palas largas y delgadas o palas fabricadas de chapa metálica.

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 parados durante muchos años sin sufrir daños.

Hay otra desventaja de tener un ventilador funcionando estancado. Significa que la eficiencia del ventilador no es óptima. Un ventilador de menor tamaño cuesta menos y tiene un coste operativo menor. 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 en relación con qué tan cerca está de la salida del ventilador (donde es más alta). Estos ventiladores tienen varias aspas, normalmente de nueve a 12.

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

El aire que “chorrea” 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 viajaba a través de ella. Este cambio de ángulo de ataque ahora obliga a esta celda a detenerse. Luego también tiene un 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 dos células viajeras que generan a la vez una frecuencia de cuatro tercios de rpm.

Hay otros informes de pérdida rotatoria que van desde dos tercios hasta más del 90% de la frecuencia operativa. Esta frecuencia aparecerá tanto en mediciones de sonido como de vibración, pero normalmente se encuentra en quejas de ruido.

Periódicamente, este sistema “eructaba” fuego por la entrada del quemador. Probablemente se trataba de un caso grave de sobretensión del sistema.

Los observadores suelen describir el sonido que hace un ventilador en movimiento como "whoosh" o "whoomp". Se deben cumplir varios criterios para tener un aumento:

En concepto, un sistema en aumento 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 las sobretensiones es constante. Por lo general, la frecuencia es lo suficientemente baja como para poder contar el número de ciclos por minuto (cpm); es bastante audible. Los informes más graves ocurren con una frecuencia inferior a 300 cpm. Un investigador informó que este efecto parece desaparecer en frecuencias superiores a 450 cpm.

En los sistemas de volumen variable, los sensores se utilizan para proporcionar información que controla las compuertas, las paletas, los 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 hacia adelante y hacia atrás.

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

Caminar por la entrada (¡no intentes esto!) de una centrífuga grande durante una prueba de aire provocó que el flujo se redujera en más del 15%. Este ventilador continuó 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 libre) y medimos el flujo y la presión a medida que agregamos resistencia progresivamente. En la segunda prueba empezamos por el corte y reducimos progresivamente la resistencia.

Ahora tenemos dos curvas de ventilador de flujo versus presión. Si no se superponen, tendremos una región de inestabilidad. Dado que sólo hay dos condiciones posibles en cualquier sistema, a esto se le llama 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 alto flujo y se dispara a la condición de bajo, la pérdida de flujo puede ser un problema.

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

Los ventiladores que tienen una gran caída en la zona de pérdida pueden tener otro tipo de problema. Tanto los ventiladores centrífugos vanaxiales como los 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 ponen en marcha simultáneamente, no hay problema. Sin embargo, si un ventilador se pone en marcha primero, el segundo ventilador ya está expuesto a contrapresión mientras alcanza velocidad.

A máxima 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 esté atrapado en el lado izquierdo del pico.

Es muy posible que haya dos ventiladores idénticos que no compartan la carga por igual. Puede existir una condición más grave si ventiladores no idénticos funcionan en paralelo.

Hace algunos años, un cliente recibió una queja 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 en su curva de abanico. El ventilador original estaba completamente dominado y el flujo volvía a salir por su entrada. Se recomendó al cliente que apagara el ventilador original (ahorrando energía) y bloqueara sólidamente el ramal del conducto hacia el ventilador original (taponando la fuga).

Aquí se aprendieron dos lecciones:

1. No mezcle dos ventiladores diferentes (ni opere dos ventiladores idénticos a diferentes velocidades) para 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 continuo y constante. Sería bueno si los cálculos del sistema fueran ultraprecisos, lo que facilitaría evitar puntos de funcionamiento incorrectos.

Sin embargo, en el mundo real, los ventiladores a menudo se aplican en condiciones que no son óptimas y muchas veces en condiciones en las que es probable que se atasquen. 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.