Parámetros importantes para optimizar la operación de los ventiladores de CC

Los ventiladores de corriente continua (CC) son un elemento esencial de solución de gestión térmica que tienen los ingenieros, los cuales están diseñados para extraer el calor de una aplicación a través de la refrigeración eficiente por aire forzado. Si bien son componentes conocidos y fáciles de reconocer, los ventiladores de CC aun así requieren un conocimiento básico del caudal de aire y otros parámetros clave para garantizar que el ventilador seleccionado sea óptimo para cubrir las necesidades de un sistema. Para ayudar en la construcción de dicho conocimiento, este artículo explicará los cálculos correctos de caudal de aire y presión de aire, al alinear dichos parámetros con la curva de funcionamiento del ventilador, el efecto del diseño en varios ventiladores, entre otras variables.

Resumen de los parámetros de caudal de aire

Antes de especificar un ventilador, es fundamental entender diversos parámetros de caudal de aire y transferencia de calor. El aire forzado funciona al absorber calor de un objeto y, luego, transferirlo a otro lugar para que se disipe, donde la cantidad de energía que se transfiere depende de la masa, el calor específico y el cambio de temperatura del aire forzado.

La masa del aire forzado se calcula a partir del volumen y la densidad del aire que se desplaza.

Al agregar la segunda ecuación en la primera, se relaciona la energía disipada con el volumen de aire.

Luego, divida ambos miembros por tiempo para obtener la siguiente ecuación.

Generalmente, la potencia de exceso es un valor conocido, mientras que el caudal de aire (volumen/tiempo) es una incógnita, lo que significa que la ecuación se puede reformular de la siguiente manera:

Esta ecuación normalmente se expresa así:

Donde
Q = caudal de aire
q = calor que se tiene que disipar
ρ = densidad del aire
Cp = calor específico del aire
ΔT = la temperatura que aumentará el aire al absorber el calor que se tiene que disipar
k = un valor constante, que depende de las unidades utilizadas en otros parámetros

La densidad del aire seco al nivel del mar y a 68 °F (20 °C) es de 0.075 lbs/ft3 (1.20 kg/m3), mientras que el calor específico del aire seco es de 0.24 Btu/lb °F (1 kJ/kg °C). Al agregar estos valores, se simplifica la ecuación anterior a la siguiente expresión:

Donde
Qf = caudal de aire en pies cúbicos por minuto (ft3/min [CFM])
Qm = caudal de aire en metros cúbicos por minuto (m3/min [CMM])
q = calor que se tiene que disipar en vatios
ΔTF = la temperatura que aumentará el aire al absorber el calor que se tiene que disipar en °F
ΔTC = la temperatura que aumentará el aire al absorber el calor que se tiene que disipar en °C

Requisitos de presión de aire

Si bien las ecuaciones anteriores permitieron calcular la tasa de flujo de aire necesaria para lograr una refrigeración suficiente, también se tiene que estimar la presión de aire que genera el ventilador. La ruta del flujo de aire a través de un sistema crea una resistencia al caudal de aire, lo que significa que los ventiladores deben tener la capacidad de generar suficiente presión para forzar el volumen de aire especificado mediante el sistema a fin de conseguir la refrigeración necesaria. Sin embargo, cada sistema crea un requisito de presión único, por lo que no es posible reducirlo a ecuaciones, como sucede con la tasa de flujo de aire. Afortunadamente, se pueden modelar las características de caudal de aire y presión de aire mediante varios productos de diseño asistido por computadora (CAD) en la fase de diseño. Una vez que se termina el diseño, se pueden utilizar anemómetros y manómetros para seguir midiendo estas características.

Figura 1: Modelado del caudal de aire y la presión de aire (Fuente de la imagen: Same Sky)

Producción de los requisitos de caudal de aire y presión de aire

Tal cual lo descrito en las secciones anteriores, los ventiladores tienen que generar una determinada tasa de flujo de aire y presión de aire para conseguir la refrigeración necesaria. En las hojas de datos de los fabricantes se brindará la siguiente información: tasa de flujo de aire sin contrapresión, presión máxima sin tasa de flujo de aire y curva de rendimiento del caudal de aire en función de la presión del ventilador.

En este ejemplo, se calculó que un producto necesitaba una tasa de flujo de aire igual a o mayor que 10 ft3/min (CFM) según el calor que se tiene que extraer y los límites de temperatura del aire, mientras que el diseño mecánico del producto mostró el gráfico que se encuentra debajo del caudal de aire en función de la presión (Figura 2). La línea punteada representa el caudal de aire mínimo necesario, mientras que la curva naranja indica la relación entre el caudal de aire y la presión.

Figura 2: Caudal de aire mínimo trazado en la curva del caudal de aire en función de la presión (Fuente de la imagen: Same Sky)

A partir del gráfico de arriba, se ha seleccionado el ventilador axial de CC CFM-6025V-131-167 de Same Sky, cuya hoja de datos especifica una tasa de flujo de aire de 16 ft3/min (CFM) sin contrapresión, una presión estática de 0.1 inH₂O sin caudal de aire y proporciona el gráfico de rendimiento que aparece a continuación (Figura 3).

Figura 3: Gráfico de rendimiento del CFM-6025V-131-167 de Same Sky (Fuente de la imagen: Same Sky)

Entonces, el gráfico de la Figura 3 se puede superponer al gráfico de la Figura 2 para crear el gráfico que se muestra en la Figura 4, que resalta el punto de funcionamiento del ventilador seleccionado. Cabe destacar que mientras el punto de funcionamiento de 11.5 ft3/min (CFM) supera el requisito de caudal de aire de 10 ft3/min (CFM) en este ejemplo, algunas aplicaciones necesitan un margen de funcionamiento térmico más amplio. Por lo tanto, habría que seleccionar un ventilador con distintas especificaciones de rendimiento.

Figura 4: Punto de funcionamiento del ventilador indicado con el círculo rojo (Fuente de la imagen: Same Sky)

Diseño y operación de varios ventiladores

Generalmente, los ventiladores más grandes o más rápidos ofrecen un mayor nivel máximo de caudal de aire y presión. Sin embargo, cuando un solo ventilador no alcanza para cumplir la tarea, se pueden operar varios ventiladores, así sea en paralelo o en serie, para aumentar determinados parámetros de rendimiento. Por ejemplo, operar ventiladores en paralelo aumenta el caudal de aire máximo, pero no la presión máxima; mientras que operar ventiladores en serie sube la presión máxima, aunque no incrementa el caudal de aire máximo.

Figura 5: Operación de un solo ventilador en comparación con ventiladores en paralelo y en serie. (Fuente de la imagen: Same Sky)

La curva de rendimiento del caudal de aire en función de la presión para ventiladores orientados en paralelo o en serie es idéntica a la curva de un solo ventilador, con la excepción de que los valores del caudal de aire o de la presión se multiplican por la cantidad de ventiladores que operan en paralelo o en serie, respectivamente. Esto se puede ver en el ensayo de abajo (Figura 6), cuyos valores de caudal de aire están multiplicados por la cantidad de ventiladores en paralelo.

Figura 6: Caudal de aire multiplicado por la cantidad de ventiladores orientados en paralelo, o presión por la cantidad de ventiladores orientados en serie. (Fuente de la imagen: Same Sky)

En general, la operación de un ventilador en paralelo es ideal para las aplicaciones con un alto caudal de aire y una baja presión, mientras que la de un ventilador en serie es más adecuada para las aplicaciones con una alta presión y un bajo caudal de aire.

Figura 7: Comparación del rendimiento de un ventilador con una resistencia al caudal de aire alta y baja (Fuente de la imagen:  Same Sky)

Velocidad y leyes de afinidad de los ventiladores

La velocidad del ventilador (RPM [revoluciones por minuto]) afecta el volumen de aire, la presión de aire, la potencia consumida y el ruido acústico que emite el ventilador. Estas relaciones se describen más detalladamente en las "leyes de afinidad de los ventiladores":

• El volumen de aire que mueve el ventilador es proporcional a la velocidad del ventilador.
  • ft3/min (CFM) α RPM
    • Ejemplo: 4 x RPM produce 4 x ft3/min (CFM)
• La presión de aire del ventilador es proporcional al cuadrado de la velocidad del ventilador.
  • Presión de aire α RPM²
    • Ejemplo: 2 x RPM produce 4 x presión
• La potencia necesaria para operar un ventilador aumenta al cubo de la velocidad del ventilador.
  • Potencia α RPM³
    • Ejemplo: 4 x RPM necesita 64 x potencia
• El ruido acústico que produce un ventilador aumenta 15 dB cuando se duplica la velocidad del ventilador.
  • Ejemplo: Un aumento del ruido acústico equivalente a 10 dB normalmente se percibe por el oído humano como el doble del nivel de ruido.

Figura 8: Leyes de afinidad de los ventiladores (Fuente de la imagen: Same Sky)

Conclusión

Un conocimiento básico de los requisitos de caudal de aire y presión tal como se describen en este artículo puede ayudar a los diseñadores a seleccionar el ventilador apropiado (o los ventiladores) para cubrir las necesidades de refrigeración por aire forzado de su aplicación. Cuando un solo ventilador no puede lograr los parámetros de caudal de aire y presión calculados, orientar los ventiladores en paralelo o en serie es una opción adicional para los ingenieros. Al ofrecer varias calificaciones de rendimiento, presión y caudal de aire, la diversa cartera de extractores y ventiladores de CC de Same Sky hace que encontrar una solución de ventilador adecuada sea una tarea sencilla.