UNIVERSIDAD NACIONAL DE INGENIERIA

UNI-Norte

Sede Regional en Estelí

Asignatura

Mecánica de Fluidos

Docente: Ing. Alba Veranay Díaz Corrales

II Semestre 2009

V. Unidad: Equipos Impulsores de Fluidos Compresibles

1. Comprensores y ventiladores 2. Clasificación3. Características 4. Ventiladores en la agroindustria

I. Introducción

Toda máquina que realiza trabajo con la finalidad de mantener un fluido en movimiento o provocar el desplazamiento o el flujo del mismo se podría ajustar al nombre de bomba o compresor, los que suelen evaluarse por cuatro características:

1. Cantidad de fluido descargado por unidad de tiempo 2. Aumento de la presión 3. Potencia 4. Rendimiento

El efecto conseguido por la mayoría de los dispositivos de bombeo es el de aumentar la presión del fluido, si bien algunos de ellos comunican al fluido un aumento de su energía cinética o una elevación de su nivel geodésico.

Las bombas en general son utilizadas para líquidos. Estas trabajan simultáneamente con la presión atmosférica de forma que esta impulse el líquido hacia el interior de la bomba por la depresión que tiene lugar en el centro de la misma.

Las bombas empleadas para gases y vapores suelen llamarse compresores. Los compresores poseen una tubería de succión por donde es aspirado el gas que dentro del compresor reduce su volumen y aumenta su presión.

Ventiladores, sopladores, compresores y el flujo de gases.

Los ventiladores, sopladores y compresores se utilizan para incrementar la presión y provocar un flujo de aire y otros sistemas de flujo de gases. Su función es similar a las de las bombas en un sistema de flujo de líquidos. Sin embargo, la compresibilidad de los gases ocasiona algunas diferencias importantes.

Como habrá observado, en muchos hogares se usan ventiladores y sopladores; un ejemplo obvio son los ventiladores que se utilizan para hacer circular el aire cuando hace tanto calor que resulta incómodo. El ventilador impulsa aire del ambiente en la habitación, lo acelera con la acción de las aspas y lo envía a una velocidad mayor. El aire que se mueve tiende a crear un efecto de enfriamiento.

Las diferencias principales entre ventiladores, sopladores y comprensores son la construcción física y las presiones para los que están diseñados. Un ventilador está diseñado para que opere a presiones estáticas pequeñas, de hasta 2 psi (13.8 Kpa). Las presiones comunes de operación de los ventiladores van de 0 a 6 pulg H2O (0.00 a 0.217 psi o 0 a 1500 Pa). Para presiones que van de 2 psi hasta 10 psi (69 kpa), aproximadamente, al impulsor de gas se le denomina soplador. Para desarrollar presiones mas elevadas, incluso de varios miles de psi, se emplean compresores.

Se utilizan ventiladores para hacer circular el aire dentro de un espacio, para introducirlo o evacuarlo, o para moverlo a través de ductos de sistema de ventilación, calefacción o aire acondicionado. Los tipos de ventiladores incluyen ventiladores de aspas, de ductos y centrífugos.

Muchas industrias utilizan aire comprimido en sistemas de fluidos de potencia para mover equipo de producción, dispositivos de manejo de materiales y maquinaria automática. La presión común de operación de dichos sistemas esta en el rango de 60 a 125 psig (414 a 862 kPa manométrica). El rendimiento y la productividad del equipo disminuyen, si la presión cae por debajo de la presión de diseño establecida. Por tanto debe ponerse mucha atención a las pérdidas de presión entre compresor y el punto de empleo. Debe de efectuarse un análisis detallado del sistema de tubería, tomando en cuenta la compresibilidad del aire.

Cuando en alguna parte del sistema de flujo ocurren cambios grandes de la presión o de la temperatura del aire comprimido, debe tomarse en cuenta las modificaciones correspondientes del peso específico del aire. Sin embargo, si el cambio de la presión es menor de 10% de la presión de entrada, las variaciones en el peso específico tendrán un efecto despreciable. Si la caída presión está entre 10 y 40% de la presión de entrada, se utiliza el promedio del peso específico para las condiciones de entrada y salida, con el fin obtener resultados con exactitud razonable. Si el cambio que se pronostica para la presión es superior a 40%, debe repetirse el diseño del sistema o bien consultar otras referencias.

El peso específico para cualesquiera condiciones de presión y temperatura se calcula a partir de la ley de los gases ideales, que establece que:

P / γΤ = constante = R

R: Constante del gas en consideración

T: Temperatura absoluta

P: Presión absoluta del gas

γ: Peso específico del gas

1. Compresores

Un compresor es una máquina que eleva la presión de un gas, un vapor o una mezcla de gases y vapores. La presión del fluido se eleva reduciendo el volumen específico del mismo durante su paso a través del compresor. Comparados con turbo soplantes y ventiladores centrífugos o de circulación axial, en cuanto a la presión de salida, los compresores se clasifican generalmente como maquinas de alta presión, mientras que los ventiladores y soplantes se consideran de baja presión.

Los compresores se emplean para aumentar la presión de una gran variedad de gases y vapores para un gran número de aplicaciones. Un caso común es el compresor de aire, que suministra aire a elevada presión para transporte, pintura a pistola, inflamiento de neumáticos, limpieza, herramientas neumáticas y perforadoras. Otro es el compresor de refrigeración, empleado para comprimir el gas del vaporizador. Otras aplicaciones abarcan procesos químicos, conducción de gases, turbinas de gas y construcción.

Un compresor es una máquina de fluido que está construida para aumentar la presión y desplazar cierto tipo de fluidos llamados compresibles, tal como lo son los gases y los vapores. Ésto se realiza a través de un intercambio de energía entre la máquina y el

fluido en el cual el trabajo ejercido por el compresor es transferido a la substancia que pasa por él conviertiendose en energía de flujo, aumentando su presión y energía cinética impulsándola a fluir.

Al igual que las bombas, los compresores también desplazan fluidos, pero a diferencia de las primeras que son máquinas hidráulicas, éstos son máquinas térmicas, ya que su fluido de trabajo es compresible, sufre un cambio apreciable de densidad y, generalmente, también de temperatura; a diferencia de los ventiladores y los sopladores, los cuales impulsan fluidos compresibles, pero no aumentan su presión, densidad o temperatura de manera considerable.

Los compresores son ampliamente utilizados en la actualidad en campos de la ingeniería y hacen posible nuestro modo de vida por razones como:

Son parte importantísima de muchos sistemas de refrigeración y se encuentran en cada refrigerador casero, y en infinidad de sistemas de aire acondicionado.

Se encuentran en sistemas de generación de energía eléctrica, tal como lo es el Ciclo Brayton.

Se encuentran en el interior muchos "motores de avión", como lo son los turborreactores y hacen posible su funcionamiento.

Generan gases comprimidos para la red de alimentación de sistemas neumáticos, los cuales mueven fábricas completas.

1.1 Estructura de los compresores

Los elementos principales de esta estructura son: motor, cuerpo, tapas, enfriador y árboles. El cuerpo y las tapas del compresor se enfrían por el agua. Los elementos constructivos tienen ciertas particularidades. Para disminuir las perdidas de energía de la fricción mecánica de los extremos de las placas contra el cuerpo en este se colocan dos anillos de descarga que giran libremente en el cuerpo. A la superficie exterior de estos se envía lubricación. Al girar el motor los extremos de las placas se apoyan en el anillo de descarga y se deslizan parcialmente por la superficie interior de estos; los anillos de descarga giran simultáneamente en el cuerpo.

Al fin de disminuir las fuerzas de fricción en las ranuras las placas se colocan no radicalmente sino desviándolas hacia adelante en dirección de la rotación. El ángulo de desviación constituye 7 a 10 grados. En este caso la dirección de la fuerza que actúa sobre las placas por lado del cuerpo y los anillos de descarga se aproxima a la dirección de desplazamiento de la placa en la ranura y la fuerza de fricción disminuye.

Para disminuir las fugas de gas a través de los huelgos axiales, en el buje del motor se colocan anillos de empacaduras apretados con resortes contra las superficies de las tapas.

Por el lado de salida del árbol a través de la tapa, se ha colocado una junta de prensaestopas con dispositivos tensor de resortes.

1.2 Tipos de compresores

Clasificación según el método de intercambio de energía:

Reciprocantes o Alternativos: utilizan pistones (sistema bloque-cilindro-émbolo como los motores de combustión interna). Abren y cierran válvulas que con el movimiento del pistón aspira/comprime el gas gracias a un motor eléctrico incorporado. Es el compresor más utilizado en potencias pequeñas. Pueden ser de los tipos herméticos monofásicos, comunes en refrigeradores domésticos. O de mayores capacidades (monofásicos y trifásicos) de varios cilindros que permiten mantención/reparación. Su uso ha disminuido en el último tiempo y ha cedido lugar al compresor de tornillo que tiene mejores prestaciones.

Orbital (Espiral, Scroll)

Rotativo-Helicoidal (Tornillo, Screw): la compresión del gas se hace de manera continua, haciendolo pasar a traves de dos tornillos giratorios. Son de mayor rendimiento y con una regulación de potencia sencilla, pero su mayor complejidad mecánica y coste hace que se emplee principalmente en elevadas potencias, solamente.

Rotodinámicos o Turbomáquinas: Utilizan un rodete con palas o álabes para impulsar y comprimir al fluido de trabajo. A su vez éstos se clasifican en:

1.3 Clasificación de los compresores

Al clasificarse según el indicio constructivo los compresores volumétricos se subdividen en los de émbolo y de motor y los de paletas en centrífugos y axiales. Es posible la división de los compresores en grupos de acuerdo con el género de gas que se desplaza, del tipo de transmisión y de la destinación del compresor. Estos al igual que las bombas mencionadas anteriormente pueden clasificarse en dos grupos:

1. Compresores de desplazamiento positivo 2. Compresores de desplazamiento no positivo

1.4 Descripción de Compresiones de Desplazamiento Positivo

Compresores Alternativos o de Embolo

El compresor de embolo, de vaivén o de movimiento alternativo, es una maquina de desplazamiento positivo que aumenta la presión de un volumen determinado de gas mediante la reducción de su volumen inicial. La compresión se verifica por el movimiento de vaivén de un embolo encerrado en un cilindro. Generalmente, el cilindro es de dobla efecto y esta accionado por un mecanismo de biela y manivela. La compresión tiene lugar en ambos extremos del cilindro, el cual suele llevar una camisa de agua para disparar el calor engendrado por la fricción de los anillos del embolo y por la empaquetadura del vástago y parte del calor de compresión. La salida del vástago en

el cilindro se cierra con una empaquetadura sin escapes. Se regula la oportuna salida y entrada del gas en el cilindro mediante válvulas que se abren según cambia la presión diferencial entre el interior del cilindro y el sistema gaseoso.

El proceso de compresión puede verificarse en una sola etapa termodinámica (compresión de una fase) o dividirse en varias etapas con enfriamiento intermedio del gas (compresión de varias etapas o multigradual). La compresión multigradual requiere una maquina más costosa que la compresión unifase, pero se utiliza con mas frecuencia por varias razones: menor consumo de energía, menor elevación de temperatura del gas dentro del cilindro y menor diámetro del cilindro.

Los compresores que se utilizan mas comúnmente para comprimir gases tienen una cruceta a la que se conectan la biela y la varilla del pistón. Esto proporciona un movimiento en línea recta para la varilla del pistón y permite que se utilice un embalaje simple, en la figura 30 se muestra una maquina sencilla, de etapa simple, con un pistón de acción doble. Se pueden utilizar pistones de acción simple o doble, dependiendo del tamaño de la maquina y el numero de etapas. En alguna maquinas, se usan pistones de acción doble, en la primera etapa y de acción simple, en las posteriores.

En las maquinas de etapas múltiples, hay enfriadores intermedios entre capa una de estas. Esos intercambiadores de calor eliminan el calor de la compresión del gas y reducen su temperatura a aproximadamente la que existe a la entrada del compresor. Ese enfriamiento reduce el volumen de gas que va a los cilindros a alta presión, hace disminuir la energía necesaria para la compresión y, a presiones elevadas, mantiene la temperatura dentro de límites de operación seguros.

Los compresores con cilindro horizontales (Fig. 31) son los que mas se utilizan, por su capacidad de acceso. Sin embargo, se construyen también maquinas con cilindros verticales y otras disposiciones, tales como las de ángulo recto (uno horizontal y el otro vertical) y en ángulo en V. Los compresores alternativos, pueden ser del tipo lubricado o sin lubricar.

1.5 Lubricación de compresores

Para la lubricación de los compresores de émbolo se emplean los mismos métodos que para las máquinas de vapor, salvo las altas exigencias de los aceites de engrase a causa del gran calor radiado por los cilindros de vapor.

Para el engrase de los cilindros, como para las máquinas de vapor, se emplean bombas de émbolo buzo de funcionamiento obligado por la transmisión.

Aún con altas presiones de gas deben procurarse aceites de poca viscosidad. Un aceite viscoso exige una potencia innecesariamente grande y hace que las válvulas tengan más tendencia a pegarse y romperse. Para muy altas presiones, se emplean, sin embargo, algunas veces los aceites viscosos para mejora la hermeticidad, aunque la temperatura del gas sea más baja. A ser posible se utilizara el aceite para el engrase del cilindro y de la transmisión, pues ello facilita la recuperación y nuevo empleo del aceite.

1.6 Tipos de compresores Alternativos o de Émbolo

Compresor de émbolo oscilante

Este es el tipo de compresor más difundido actualmente. Es apropiado para comprimir a baja, media o alta presión.

Para obtener el aire a presiones elevadas, es necesario disponer varias etapas compresoras. El aire aspirado se somete a una compresión previa por el primer émbolo, seguidamente se refrigera, para luego ser comprimido por el siguiente émbolo. El volumen de la segunda cámara de compresión es, en conformidad con la relación, más pequeño. Durante el trabajo de compresión se forma una cantidad de calor, que tiene que ser evacuada por el sistema refrigeración.

Compresor de membrana

Una membrana separa el émbolo de la cámara de trabajo; el aire no entra en contacto con las piezas móviles. Por tanto, en todo caso, el aire comprimido estará exento de aceite. Estos, compresores se emplean con preferencia en las industrias alimenticias farmacéuticas y químicas.

Compresor de émbolo rotativo

Consiste en un émbolo que está animado de un movimiento rotatorio. El aire es comprimido por la continua reducción del volumen en un recinto hermético.

Compresores Rotarios

Se denominan compresores rotatorios a aquellos grupos que producen aire comprimido por un sistema rotatorio y continuo, es decir, que empujan el aire desde la aspiración hacia la salida, comprimiéndolo.

Se distinguen los siguientes tipos:

Compresores de tornillo

Esencialmente se componen de un par de motores que tienen lóbulos helicoidales de engrane constante.

La compresión por motores paralelos puede producirse también en el sentido axial con el uso de lóbulos en espira a la manera de un tornillo sin fin. Acoplando dos motores de este tipo, uno convexo y otro cóncavo, y haciéndolos girar en sentidos opuestos se logra desplazar el gas, paralelamente a los dos ejes, entre los lóbulos y la carcaza.

Las revoluciones sucesivas de los lóbulos reducen progresivamente el volumen de gas atrapado y por consiguiente su presión, el gas así comprimido es forzado axialmente por la rotación de los lóbulos helicoidales hasta 1ª descarga.

Compresores de paletas deslizantes

El motor es excéntrico en relación a la carcasa o el cilindro, y lleva una serie de aletas que se ajustan contra las paredes de la carcasa debido a la fuerza centrífuga.

Este tipo de compresores consiste básicamente de una cavidad cilíndrica dentro de la cual esta ubicado en forma excéntrica un motor con ranuras profundas, unas paletas rectangulares se deslizan libremente dentro de las ranuras de forma que al girar el motor la fuerza centrifuga empuja las paletas contra la pared del cilindro. El gas al entrar, es atrapado en los espacios que forman las paletas y la pared de la cavidad cilíndrica es comprimida al disminuir el volumen de estos espacios durante la rotación.

Compresores soplantes

Se conocen como compresores de doble motor o de doble impulsor aquellos que trabajan con dos motores acoplados, montados sobre ejes paralelos, para una misma etapa de compresión. Una máquina de este tipo muy difundida es el compresor de lóbulos mayor conocida como "Roots", de gran ampliación como alimentador de los motores diesel o compresores de gases a presión moderada. Los motores, por lo general, de dos o tres lóbulos están conectados mediante engranajes exteriores. El gas que entra al soplador queda atrapado entre los lóbulos y la carcaza; con el movimiento de los motores de la máquina, por donde sale, no pudieron regresarse debido al estrecho juego existente entre los lóbulos que se desplazan por el lado interno.

Descripción de Compresores de Desplazamiento no Positivo

Compresores Centrífugos

El principio de funcionamiento de un compresor centrífugo (Fig. 32) es el mismo que el de una bomba centrífuga, su diferencial principal es que el aire o el gas manejado en un compresor es compresible, mientras que los líquidos con los que trabaja una bomba, son prácticamente incompresibles. Los compresores centrífugos pueden desarrollar una presión en su interior, que depende de la naturaleza y las condiciones del gas que manejan y es virtualmente independiente de la carga del procesamiento. Las condiciones que es preciso tomar en cuenta son:

1. La presión barométrica mas baja 2. La presión de admisión mas baja 3. La temperatura máxima de admisión 4. La razón mas alta de calores específicos 5. La menor densidad relativa 6. El volumen máximo de admisión 7. La presión máxima de descarga

La mayoría de los compresores centrífugos funcionan a velocidades de 3.500 RPM (revoluciones por minuto) o superiores y uno de los factores limitantes es el de la fatiga del impulsor. Los impulsores de los compresores centrífugos son por lo común motores eléctricos o turbinas de vapor o gas, con o sin engranajes de aumento de velocidad.

En un compresor, como en una bomba centrífuga, la carga es independiente del fluido que se maneje.

Los compresores centrífugos constan esencialmente de: caja, volutas, rodetes impulsores, un eje y un sistema de lubricación.

Las volutas convierten la energía cinética del gas desarrollada por los impulsores en energía potencial o presión. La caja es la cubierta en que van ajustadas las volutas y esta proyectada para la presión a la que se ha de comprimir el gas.

La caja se construye adaptándola a la aplicación particular y puede ser de hierro colado, acero estructural o fundición de acero.

La compresión de un gas en un compresor centrífugo requiere con frecuencia un medio de ocluir el gas para evitar su fuga a la atmósfera o su contaminación. Existen varios tipos de oclusores:

1. el de cierre mecánico con anillo de carbón 2. el gas inerte 3. el directo de aceite en el cojinete del compresor y los de gasto de aceite

Todos están diseñados principalmente como cierre de funcionamiento y no de paro.

Los compresores centrífugos se utilizan para una gran variedad de servicios, incluyendo

1. enfriamiento y desecación, 2. suministro de aire de combustión a hornos y calderas, 3. sopladores de altos hornos, cúpulas y convertidores, 4. transporte de materiales sólidos, 5. procesos de flotación, 6. por agitación y aereación, por ventilación, 7. como eliminadores y para comprimir gases o vapor

Compresor Axial

El compresor axial se desarrollo para utilizarse con turbinas de gas y posee diversas ventajas para servicios en motores de reacción de la aviación. Su aceptación por la industria para instalaciones estacionarias fue lenta; pero se construyeron varias unidades de gran capacidad para altos hornos, elevadores de la presión de gas y servicios en túneles aerodinámicos.

En los compresores de este tipo (Fig. 33), la corriente de aire fluye en dirección axial, a través de una serie de paletas giratorios de un motor y de los fijos de un estator, que están concéntricos respecto al eje de rotación. A diferencia de la turbina, que también emplea los paletas de un motor y los de un estator, el recorrido de la corriente de un compresor axial va disminuyendo de área de su sección transversal, en la dirección de la corriente en proporción a la reducción de volumen del aire según progresa la compresión de escalón a escalón.

Una vez suministrado el aire al compresor por el conducto de admisión, pasa la corriente a través de un juego de paletas directores de entrara, que preparan la corriente para el primer escalón de del compresor. Al entrar en el grupo de paletas giratorios, la corriente de aire, que tiene una dirección general axial se defecta en la dirección de la rotación. Este cambio de dirección de la corriente viene acompañado de una disminución de la velocidad, con la consiguiente elevación de presión por efecto de difusión. Al pasar la corriente a través del otro grupo de paletas del estator se lo para y endereza, después de lo cual es recogida por el escalón siguiente de paletas rotatorios, donde continúa el proceso de presurización.

Un compresor axial simple puede estar constituido teóricamente por varias etapas según sea necesario, pero esto puede producir que a determinadas velocidades las ultimas etapas funcionen con bajo rendimiento y las primeras etapas trabajen sobrecargadas. Esto puede ser corregido ya sea con extracción de aire entre etapas o se puede conseguir mucha mayor flexibilidad y rendimiento partiendo el compresor en dos sistemas rotatorios completamente independientes mecánicamente, cada uno arrastrado por su propia turbina. El compresor de alta tiene paletas más cortos que el de baja y es mas ligero de peso. Puesto que el trabajo de compresión de compresor de alta trabaja a mayor temperatura que el de baja se podrán conseguir velocidades mas altas antes de que las puntas de los paletas alcancen su número de Mach límite, ya que la velocidad

del sonido aumento a mayor temperatura. Por consiguiente el compresor de alta podrá rodar a mayor velocidad que el de baja.

El aire al salir del compresor pasa a través de un difusor que lo prepara para entrar a la cámara de combustión.

Ventajas y Desventajas de los Compresores

Compresores Alternativos

El uso de lubricantes en los compresores alternativos el causante de sus principales ventajas y desventajas.

Un compresor lubricado durara mas que uno que no lo esta. Hay que tener cuidado de no lubricar en exceso, porque la carbonización del aceite en las válvulas puede ocasionar adherencias y sobrecalentamiento. Además, los tubos de descarga saturados con aceite son un riesgo potencial de incendio, por lo que se debe colocar corriente abajo un separador para eliminar el aceite. Los problemas más grandes en los compresores con cilindro lubricado son la suciedad y la humedad, pues destruyen la película de aceite dentro del cilindro.

En los compresores sin lubricación la suciedad suele ser el problema mas serio, y hay otros problemas que puede ocasionar el gas en si. Por ejemplo, un gas absolutamente seco puede ocasionar un severo desgaste de los anillos.

Compresores Rotatorios

El diseño de anillo de agua tiene la ventaja de que el gas no hace contacto con las partes rotatorias metálicas. Los aspectos críticos son la presión de vapor del gas de entrada, comparada con la presión de vapor del liquido que forma el anillo de agua y el aumento de temperatura en el mismo. La presión de vapor del fluido para sellos debe ser muy inferior al punto de ebullición, porque de otra forma se evaporara el anillo de agua, ocasionara perdida de capacidad y quizás serios daños por sobrecalentamiento.

Compresores Centrífugos

Ventajas

1. En el intervalo de 2.000 a 200.000 ft3/min., y según sea la relación de presión, este compresor es económico porque se puede instalar en una sola unidad.

2. Ofrece una variación bastante amplia en el flujo con un cambio pequeño en la carga.

3. La ausencia de piezas rozantes en la corriente de compresión permite trabajar un largo tiempo entre intervalos de mantenimiento, siempre y cuando los sistemas auxiliares de aceites lubricantes y aceites de sellos estén correctos.

4. Se pueden obtener grandes volúmenes en un lugar de tamaño pequeño. Esto puede ser una ventaja cuando el terreno es muy costoso.

5. Su característica es un flujo suave y libre de pulsaciones.

Desventajas

1. Los compresores centrífugos son sensibles al peso molecular del gas que se comprime. Los cambios imprevistos en el peso molecular pueden hacer que las presiones de descarga sean muy altas o muy bajas.

2. Se necesitan velocidades muy altas en las puntas para producir la presión. Con la tendencia a reducir el tamaño y a aumentar el flujo, hay que tener mucho mas cuidado al balancear los motores y con los materiales empleados en componentes sometidos a grandes esfuerzos.

3. Un aumento pequeño en la caída de presión en el sistema de proceso puede ocasionar reducciones muy grandes en el volumen del compresor.

4. Se requiere un complicado sistema para aceite lubricante y aceite para sellos.

Compresores Axiales

La alta eficiencia y la capacidad mas elevada son las únicas ventajas importantes que tienen los compresores de flujo axial sobre las maquinas centrífugas, para las instalaciones estacionarias. Su tamaño y su peso menores no tienen mucha valor, tomando en cuenta, sobre todo, el hecho de que los precios son comparables a los de las maquinas centrífugas diseñadas para las mismas condiciones. Las desventajas incluyen una gama operacional limitada, mayor vulnerabilidad a la corrosión y la erosión y propensión a las deposiciones.

2. Ventiladores

Se denominan máquinas de fluido aquellas que intercambian energía mecánica con un fluido que las atraviesa.

Si en el proceso el fluido incrementa su energía, la máquina se denomina generadora (compresores, bombas), mientras que si la disminuye, la máquina se denomina motora (turbinas, motores de explosión).

Las máquinas de fluido se clasifican en función de la compresibilidad del fluido en:

Máquina hidráulica o máquina de fluido incompresible es aquella que trabaja con fluidos incompresibles. A este grupo pertenecen las máquinas que trabajan con líquidos (por ejemplo, agua) pero además se incluyen aquellas que trabajan con gases cuando éstos se comportan como incompresibles, como por ejemplo los ventiladores.

Estas máquinas aprovechan únicamente la energía mecánica disponible en el fluido (cinética y potencial), de modo que si se incrementa la temperatura del fluido a la entrada de la máquina, simplemente se obtendrá a la salida un fluido más caliente, sin que dicho incremento de temperatura suponga un aprovechamiento mayor de la energía disponible.

Así, los molinos, aprovechan la energía cinética de los cursos de agua, mientras que las

modernas centrales hidroeléctricas aprovechan la energía potencial del agua embalsada.

El intercambio energético en estas máquinas está gobernado por la ecuación de

Bernoulli.

Máquina térmica o máquina de fluido compresible es aquella que trabaja con fluidos

compresibles, ya sean condensables (caso de la máquina de vapor) o no condensables

(como la turbina de gas).

En este caso, sí se aprovecha la energía térmica del fluido, ya que la energía mecánica

se produce mediante la expansión del fluido (incremento de su volumen específico). En

este caso, al incrementar la temperatura del fluido a la entrada de la máquina, se

obtendrá una mayor cantidad de energía mecánica en el eje de la máquina.

El estudio de los intercambios de energía en las máquinas térmicas es objeto de la

termodinámica.

Las máquinas de fluido también se clasifican atendiendo a dos criterios, la cantidad de fluido y el movimiento de la máquina.

Se denominan volumétricas o de desplazamiento positivo a aquellas máquinas que son

atravesadas por una cantidad de fluido conocida. Éstas a su vez se clasifican en

alternativas o rotativas en función del movimiento obtenido.

Aquellas máquinas que son atravesadas por un flujo continuo, se denominan

turbomáquinas. Las turbomáquinas son siempre rotativas.

Las tres clasificaciones anteriores son complementarias de modo que, por ejemplo, un ventilador es una turbomáquina hidráulica generadora, mientras que un motor de explosión es un motor térmico alternativo (de desplazamiento positivo).

Ventiladores

Un ventilador es una turbomáquina que se caracteriza porque el fluido impulsado es un gas (fluido compresible) al que transfiere una potencia con un determinado rendimiento.

A pesar de que no existe convenio alguno universalmente adoptado; los ventiladores pueden subdividirse en cuatro grupos:

1. ventiladores de baja presión: hasta una presión del orden 200 mm c agua (ventiladores propiamente dichos).

2. ventiladores de media presión: entre 200 y 800 mm c agua (soplantes)

3. ventiladores de alta presión: entre 800 y 2500 mm c agua (turbosoplantes)

4. ventiladores de muy alta presión , mayor a 2500 mm c agua (turbocompresores)

En función de la trayectoria del fluido, todos estos ventiladores se pueden clasificar en

1. de flujo radial (centrífugos)

2. de flujo semiaxial (helico-centrifugos)

3. de flujo axial

Fig. Configuración típica de sendos rodetes: radial, semiaxial y axial.

Ventiladores radiales (centrífugos)

En los ventiladores centrífugos la trayectoria del fluido sigue la dirección del eje del rodete a la entrada y está perpendicular al mismo a la salida. Si el aire a la salida se recoge perimetralmente en una voluta, entonces se dice que el ventilador es de voluta.

Estos ventiladores tienen tres tipos básicos de rodetes:

1. álabes curvados hacia adelante,

2. álabes rectos,

3. álabes inclinados hacia atrás/curvados hacia atrás.

Los ventiladores de álabes curvados hacia adelante (también se llaman de jaula de ardilla) tienen una hélice o rodete con las álabes curvadas en el mismo sentido que la dirección de giro. Estos ventiladores necesitan poco espacio, baja velocidad periférica y son silenciosos. Se utilizan cuando la presión estática necesaria es de baja a media, tal como la que se encuentran en los sistemas de calefacción, aire acondicionado o renovación de aire, etc. No es recomendable utilizar este tipo de ventilador con aire polvoriento, ya que las partículas se adhieren a los pequeños álabes curvados y pueden provocan el desequilibrado del rodete.

Estos ventiladores tienen un rendimiento bajo fuera del punto de proyecto. Además, como su característica de potencia absorbida crece rápidamente con el caudal, ha de tenerse mucho cuidado con el cálculo de la presión necesaria en la instalación para no

sobrecargarlo. En general son bastante inestables funcionando en paralelo vista su característica caudal-presión.

Fig. Ventiladores centrífugos de álabes curvados hacia delante, radiales y atrás

Los ventiladores centrífugos radiales tienen el rodete con los álabes dispuestas en forma radial. La carcasa está diseñada de forma que a la entrada y a la salida se alcanzar velocidades de transporte de materiales. Existen una gran variedad de diseños de rodetes que van desde los de "alta eficacia con poco material" hasta los de "alta resistencia a impacto". La disposición radial de los álabes evita la acumulación de materiales sobre las mismas. Este tipo de ventilador es el comúnmente utilizado en las instalaciones de extracción localizada en las que el aire contaminado con partículas debe circular a través del ventilador. En este tipo 'de ventiladores la velocidad periférica es media y se utilizar en muchos sistemas de extracción localizada que vehicular aire sucio o limpio.

Fig. Triángulos de velocidades a la salida para los distintos rodetes centrífugos

Los ventiladores centrífugos de álabes curvados hacia atrás tienen un rodete con las álabes inclinados en sentido contrario al de rotación. Este tipo de ventilador es el de mayor velocidad periférica y mayor rendimiento con un nivel sonoro relativamente bajo y una característica de consumo de energía del tipo "no sobrecargable". En un ventilador "no sobrecargable", el consumo máximo de energía se produce en un punto próximo al de rendimiento óptimo de forma que cualquier cambio a partir de este punto debido a cambios de la resistencia del sistema resultará en un consumo de energía menor. La forma de los álabes condiciona la acumulación de materiales sobre ellas, de forma que el uso de estos ventiladores debe limitarse como se indica a continuación:

o álabes de espesor uniforme: Los álabes macizos permiten el trabajo con aire ligeramente sucio o húmedo. No debe emplearse con aire conteniendo materiales sólidos ya que tienen tendencia a acumularse en la parte posterior de los álabes.

o álabes de ala portante: Las álabes de ala portante permiten mayores rendimientos y una operación más silenciosa. Los álabes huecos se erosionan rápidamente y se pueden llenar de líquido si la humedad es alta, por ello su uso queda limitado a aplicaciones en las que se manipule aire limpio.

Fig. Curvas características relativas para ventiladores centrífugos. No se observa en la figura, pero las características de “álabes adelante” pasan por encima de las otras dos en valor absoluto.

Ventiladores axiales

Existen tres tipos básicos de ventiladores axiales: Helicoidales, tubulares y tubulares con directrices.

Los ventiladores helicoidales se emplean para mover aire con poca pérdida de carga, y su aplicación más común es la ventilación general. Se construyen con dos tipos de álabes: alabes de disco para ventiladores sin ningún conducto; y álabes estrechas para ventiladores que deban vencer resistencias bajas (menos de 25 mmcda). Sus prestaciones están muy influenciadas por la resistencia al flujo del aire y un pequeño incremento de la presión provoca una reducción importante del caudal.

Los ventiladores tubulares disponen de una hélice de álabes estrechos de sección constante o con perfil aerodiná mico (ala portante) montada en una carcasa cilíndrica. generalmente no disponen de ningún mecanismo para ende rezar el flujo de aire. Los

ventiladores tubulares pueden mover aire venciendo resistencias moderadas (menos de 50 mmcda).

Los ventiladores tubulares con directrices tienen una hélice de álabes con perfil aerodinámico (ala portante) montado en una carcasa cilíndrica que normalmente dispone de aletas enderezadoras del flujo de aire en el lado de impulsión de la hélice. En comparación con los otros tipos de ventiladores axiales, éstos tienen un rendimiento superior y pueden desarrollar presiones superiores (hasta 200 mmcda). Están limitados a los casos en los que se trabaja con aire limpio.

Las directrices tienen la misión de hacer desaparecer la rotación existente o adquirida por el fluido en la instalación, a la entrada del rodete o tras su paso por el mismo. Estas directrices pueden colocarse a la entrada o a la salida del rodete, incluso las hay móviles. Han de ser calculadas adecuadamente pues, aunque mejoran las características del flujo del aire haciendo que el ventilador trabaje en mejores condiciones, producen una pérdida de presión adicional que puede condicionar el resto de la instalación. Además, pueden ser contraproducentes ante cambios importantes del caudal de diseño.

Fig. Efecto de las directrices sobre las líneas de corriente a entrada y salida del rodete

axial

Fig. Triángulos de velocidades en un ventilador axial sin directrices.

Fig. Efecto de las directrices a la entrada. La corriente a la entrada se gira convenientemente para hacerlo coincidir en dirección con la del perfil del rodete.

Ventiladores especiales

Entre ellos:

o Ventiladores centrifugos de flujo axial: Constan de un rodete con álabes inclinados hacia atrás montado en una carcasa especial que permite una instalación como si se tratara de un tramo recto de conducto. Las características son similares a las de un ventilador centrífugo normal con el mismo tipo de rodete. Los requisitos de espacio son similares a los de un ventilador axial de tipo tubular.

o Extractores de techo: Son equipos compactos que pueden ser de tipo axial o centrífugo. En este caso no se utiliza una voluta, sino que la descarga del aire a la atmósfera se produce en todo el perímetro de la rueda. Estos equipos se pueden suministrar con deflectores que conducen el aire de salida hacia arriba o hacia abajo.

Fig. Ventiladores axiales clasificados en función de su uso.

La diferencia entre un ventilador y un turbocompresor radica en el orden de magnitud de las variaciones de presión en el interior del ventilador. En un ventilador las variaciones son tan pequeñas, que el gas puede considerarse prácticamente incompresible.

La línea divisoria entre un ventilador y un turbocompresor se puede estimar como:

o En los ventiladores de poca potencia, puede establecerse una línea divisoria convencional en 800 mm c a

o En los ventiladores modernos de alta calidad y elevada potencia la línea divisoria convencional está establecida par la norma VDI 2044 en 300 mm c a.

Para determinar la magnitud del error cometido al despreciar los efectos de la compresibilidad se puede calcular la altura de presión de un gas que el supuesto de ser incompresible y cuando no lo es y evoluciona según proceso adiabático-reversible ideal. Para fluido compresible, cuando se admite un cambio nulo neto de energías cinética y potencial a través de la máquina, el trabajo útil aportado por unidad de masa se evalúa mediante la fórmula:

2

1

1

1 2C

1 1

1Y 1

1

p

p

p pdp

p

que, cuando se supone incompresible, se reduce a:

IYp

Ahora bien, el término p2/p1 anterior puede definirse en función del incremento de presión como

2

1 1

1p p

p p

para después desarrollar en serie el corchete de la expresión anterior. Tras sustituir y eliminar términos inferiores se llega a:

2

1C

1 1 1 1 1

11

1 1Y ... 1

1 2 2

p p p p p

p p p

El error en tanto por uno resultante de la aproximación incompresible es:

C I

C

1

Y -Y 11

1Y 12

p

p

que puede representarse en función del incremento de presión proporcionado por el ventilador.

Fig. Error cometido al despreciar la compresibilidad.

Bibliografía

1) Mott Robert. Mecánica de Fluidos. Sexta edición. Universidad La Salle. 2) Compresores. Selección, Uso y Mantenimientos, Richard W. Greene, Cuerpo de redactores Chemical Engineering Magazine, Ed. Mc Graw-Hill. 3) Bombas. Su Selección y Aplicación, Tyler G. Hicks, BME, Companía Editorial Continental S.A.