Todas las curvas de ventilador de un catálogo están trazadas para aire estándar: 1.2 kg/m³, aproximadamente el aire a 20 °C al nivel del mar. Instale el mismo ventilador en una ciudad situada a 2,000 metros de altitud, o úselo para mover gas a 200 °C, y el aire que maneja será mucho menos denso. El ventilador seguirá moviendo el mismo caudal al mismo régimen, pero generará menos presión y absorberá menos potencia. La mayoría de los errores de selección en altitud o a temperaturas elevadas se deben a olvidar uno de esos tres hechos, o a pasar por alto lo que ocurre cuando un ventilador para gases calientes arranca en frío.
Qué cambia con la densidad y qué no
A régimen constante, un ventilador es una máquina volumétrica. Las leyes de los ventiladores muestran directamente la relación:
| Magnitud | Efecto de una menor densidad del aire al mismo régimen |
|---|---|
| Caudal volumétrico (m³/h) | No cambia |
| Presión generada | Disminuye en proporción a la densidad |
| Potencia absorbida | Disminuye en proporción a la densidad |
| Caudal másico (kg/h) | Disminuye en proporción a la densidad |
La resistencia de un sistema de conductos también varía en proporción a la densidad, porque las pérdidas por fricción y accesorios dependen de la densidad del aire que circula por ellos. Por eso, un ventilador conectado a un conducto de ventilación sencillo en altitud sigue suministrando aproximadamente el mismo caudal que al nivel del mar: el ventilador y el sistema pierden capacidad en la misma medida. Las correcciones son importantes cuando el requisito de presión se ha calculado para las condiciones reales del sitio, cuando el proceso necesita una masa de aire en lugar de un volumen y cuando la temperatura del gas cambia durante el funcionamiento.
Cuánto menos denso es el aire
Relaciones de densidad respecto al aire estándar, para la atmósfera estándar internacional y aire seco:
| Altitud a 20 °C | Relación de densidad | Temperatura del gas al nivel del mar | Relación de densidad |
|---|---|---|---|
| 0 m | 1.00 | 0 °C | 1.07 |
| 500 m | 0.94 | 40 °C | 0.94 |
| 1,000 m | 0.89 | 60 °C | 0.88 |
| 1,500 m | 0.83 | 100 °C | 0.79 |
| 2,000 m | 0.78 | 150 °C | 0.69 |
| 2,500 m | 0.73 | 200 °C | 0.62 |
| 3,000 m | 0.69 | 300 °C | 0.51 |
| 3,600 m | 0.64 | 400 °C | 0.44 |
Los dos efectos se multiplican. El aire a 40 °C en un sitio situado a 1,500 metros de altitud tiene una relación de densidad de aproximadamente 0.78, igual que el aire fresco a 2,000 metros. Varias capitales de América Latina y África Oriental se encuentran entre 2,200 y 2,900 metros, donde un ventilador pierde una cuarta parte o más de la presión indicada en su catálogo.
Cómo corregir una selección, paso a paso
- Determine la densidad real a partir de la altitud del sitio y de la temperatura del aire o gas que maneja el ventilador.
- Convierta el requisito de presión a aire estándar. Si el diseñador del sistema calculó la presión para las condiciones reales, divídala por la relación de densidad para hallar la presión equivalente para aire estándar.
- Seleccione el ventilador en el catálogo con el caudal volumétrico real y la presión equivalente para aire estándar.
- Corrija la potencia para las condiciones del sitio multiplicando la potencia del catálogo por la relación de densidad.
- Dimensione el motor para el aire más denso que el ventilador encontrará, que en un ventilador para gases calientes suele ser durante el arranque en frío.
Ejemplo práctico: un ventilador debe mover 5,000 m³/h contra 800 Pa, calculados para las condiciones del sitio, en una ciudad a 2,240 metros donde el aire está a 25 °C. La relación de densidad es 0.75. La presión equivalente para aire estándar es 800 ÷ 0.75, aproximadamente 1,070 Pa; por lo tanto, el ventilador se selecciona en el catálogo para 5,000 m³/h a 1,070 Pa. En el sitio generará los 800 Pa requeridos y absorberá aproximadamente el 75% de la potencia indicada en el catálogo.
Si lo que importa es el caudal volumétrico, como ocurre en la mayoría de las aplicaciones de ventilación, no hace falta corregirlo. Si el proceso necesita una masa de aire, como en el suministro de aire de combustión, el secado o el transporte neumático, el caudal volumétrico debe aumentarse dividiéndolo por la relación de densidad, y la presión debe recalcularse para ese caudal mayor.
Gas caliente: el problema del arranque en frío
Un ventilador seleccionado para gas a 200 °C tiene una relación de densidad de 0.62 durante el funcionamiento normal. Cuando arranca con la planta fría, mueve aire a 20 °C, que es 1.6 veces más denso, y absorbe 1.6 veces la potencia de funcionamiento. Un motor dimensionado para el servicio en caliente se sobrecargará durante un arranque en frío. Hay tres soluciones habituales:
- Dimensionar el motor para la condición fría y aceptar que funcionará con poca carga cuando esté caliente.
- Arrancar con una compuerta de entrada cerrada y abrirla a medida que se calienta el gas, con un enclavamiento que impida que la compuerta se abra por completo mientras el gas esté frío.
- Utilizar un variador de frecuencia y limitar el régimen hasta que el gas alcance la temperatura. El control de velocidad también permite ahorrar energía después, como se describe en comparación de métodos de control del caudal de aire del ventilador.
Las temperaturas elevadas afectan tanto a la construcción del ventilador como a su rendimiento: los materiales del rodete pierden resistencia al calentarse, por lo que se reducen las velocidades máximas seguras a temperaturas altas; los rodamientos y el motor se mantienen fuera de la corriente de gas, normalmente mediante una disposición con correa o eje refrigerado y un deflector térmico en el eje. Nuestro soplador centrífugo para altas temperaturas está construido según estos principios, y el servicio de extracción de humo de emergencia tiene sus propias clasificaciones, descritas en clasificaciones de temperatura de ventiladores de extracción de humo.
Motores en altitud y con calor
Los motores estándar están clasificados para utilizarse hasta 1,000 metros de altitud, con aire de refrigeración a no más de 40 °C, las condiciones nominales de la norma IEC para motores. Por encima de 1,000 metros, el aire menos denso refrigera el motor con menor eficacia, y por encima de 40 °C de temperatura ambiente, el motor funciona a mayor temperatura; por eso, la potencia admisible se reduce según las tablas de desclasificación del fabricante. Un motor con amplio margen al nivel del mar puede quedar justo en un sitio elevado y caluroso. La clase de aislamiento y el grado de protección se explican en clase de aislamiento del motor y grado IP.
Qué información incluir en una consulta
- Caudal volumétrico y si el requisito real corresponde al caudal volumétrico o másico
- Presión y si se calculó para condiciones estándar o reales
- Altitud del sitio y rango de temperatura ambiente
- Temperatura del gas durante el funcionamiento normal, el arranque y en su valor máximo
- Composición del gas, humedad y contenido de polvo si no se trata de aire limpio
Con estos datos, la selección se realiza en el punto adecuado de la curva y el rendimiento que mida durante la puesta en marcha coincide con el que se le indicó. Los principios generales para interpretar los datos de ventiladores se explican en especificaciones técnicas de ventiladores explicadas.