¿Qué es un ventilador centrífugo y cómo funciona?

Un ventilador centrífugo aspira el aire de forma axial (en paralelo al eje del motor), lo acelera radialmente hacia fuera a través de un impulsor giratorio y lo expulsa en un ángulo de 90 grados respecto a la entrada. Todo esto ocurre dentro de una carcasa en forma de espiral denominada «scroll». A diferencia de un ventilador axial, que impulsa el aire en línea recta como una hélice, un ventilador centrífugo genera presión al convertir la energía cinética en presión estática dentro del «scroll» en expansión. Esto lo convierte en la opción ideal siempre que sea necesario impulsar el aire a través de conductos, filtros u otras resistencias.

Los tres componentes principales son sencillos. El rodete (la única parte que realmente funciona en el aire) está formada por unas palas dispuestas alrededor de un eje central. El carcasa del rodillo rodea el impulsor y convierte la velocidad en presión gracias a su sección transversal creciente. El entrada y salida dirigir el flujo de aire hacia el ojo del impulsor y descargarlo en el sistema.

Si hay algo que debas recordar de esta sección, que sea esto: la forma de las palas del impulsor es la decisión de diseño más importante en un ventilador centrífugo. Determina la eficiencia, la capacidad de presión, el ruido, la durabilidad y si el ventilador es capaz de soportar el aire que se le pide que mueva.

Los cuatro tipos principales de ventiladores centrífugos de un vistazo

Antes de profundizar en cada tipo, aquí tienes un resumen en una tabla. Los cuatro tipos comparten la misma arquitectura básica (impulsor + espiral), pero la geometría de las palas da lugar a cuatro perfiles de rendimiento distintos.

La diferencia de eficiencia entre los mejores y los peores modelos alcanza casi los 30 puntos porcentuales. En un motor que funciona 6.000 horas al año, eso se traduce en miles de dólares de diferencia en el coste anual de la electricidad. El modelo que elijas es una decisión tanto económica como técnica.

Ventiladores centrífugos de álabes curvados hacia delante

Los ventiladores de palas curvadas hacia delante son los caballos de batalla de los sistemas de climatización residenciales y comerciales ligeros. Son los ventiladores de «jaula de ardilla» que se encuentran en las calderas, las unidades de ventiloconvector y los aparatos de aire acondicionado compactos. Dominan este sector por una razón: ofrecen el mayor caudal de aire en el menor espacio físico posible, y lo hacen de forma silenciosa a baja velocidad.

Diseño de las palas y características de funcionamiento

El impulsor de álabes curvados hacia delante cuenta con entre 24 y 64 álabes cortos y poco profundos que se curvan en la misma dirección que la rotación. Esta geometría permite que cada álabe recoja y expulse una pequeña porción de aire a una velocidad en la punta relativamente baja (normalmente entre 800 y 1.200 RPM), lo que genera un elevado volumen de flujo de aire frente a una presión estática baja. La contrapartida es la eficiencia: con una eficiencia estática máxima de entre el 60 y el 651 TP3T, los ventiladores de álabes curvados hacia delante apenas convierten dos tercios de su potencia en el eje en movimiento de aire útil.

Pero el índice de eficiencia no es lo más importante que hay que saber sobre los ventiladores de palas curvadas hacia delante. Lo más importante es el curva de potencia.

Los ventiladores de palas curvadas hacia delante se «sobrecargan». Su potencia de freno aumenta de forma continua desde el cierre total hasta el funcionamiento sin carga. Si la resistencia del sistema desciende por debajo del valor para el que se diseñó (por ejemplo, si se afloja un conducto, se retira un filtro o se dejan abiertas las compuertas), el ventilador acelera, mueve más aire y consume más potencia. El motor (dimensionado para el punto de funcionamiento de diseño, no para el máximo) puede sobrecargarse y quemarse. No se trata de un caso extremo teórico. Es el modo de fallo más habitual en la práctica para los ventiladores de álabes curvados hacia delante.

Los impulsores de álabes curvados hacia delante siempre requieren una carcasa en espiral. Los propios álabes convierten muy poca energía cinética en presión estática. Sin la espiral expansiva, no son más que paletas ineficaces.

Aplicaciones típicas y cuándo evitarlas

Los ventiladores de palas curvadas hacia delante destacan en aplicaciones de baja presión, aire limpio y espacios reducidos: calderas domésticas, unidades de aire acondicionado compactas, unidades fan coil, refrigeración de equipos electrónicos y sistemas de ventilación de suministro y extracción a baja presión. Este último grupo abarca un rango de tamaños más amplio de lo que reconocen la mayoría de las guías: los ventiladores compactos de álabes curvados hacia delante de la clase de 60 a 250 mm son un elemento básico en el interior de las cajas de equipos y las unidades de ventilación, donde la ventaja del caudal de aire por superficie ocupada es aún más importante que en un climatizador.

Ventiladores centrífugos de álabes curvados hacia atrás y de perfil aerodinámico

Si los ventiladores de aspas curvadas hacia delante son los coches compactos y económicos de la circulación del aire, los de aspas curvadas hacia atrás son los diésel de largo recorrido: más grandes, más caros a la compra, pero mucho más baratos de mantener y con muchas menos probabilidades de dejarte tirado en la cuneta.

De la inclinación hacia atrás al perfil aerodinámico: un abanico de eficiencia

La familia de alas con curvatura hacia atrás abarca tres subtipos, cada uno de los cuales supone un avance en cuanto a refinamiento aerodinámico:

Las palas planas e inclinadas hacia atrás son las más sencillas: placas planas inclinadas en sentido contrario al de la rotación, fáciles de fabricar y reparar, y razonablemente eficientes. Las palas curvadas hacia atrás incorporan un perfil aerodinámico que permite aumentar la eficiencia entre 5 y 7 puntos. Las palas aerodinámicas (con secciones transversales huecas en forma de ala) alcanzan las mayores eficiencias posibles en cualquier ventilador centrífugo, con picos por encima del 90% de eficiencia total, pero sus paredes delgadas son muy sensibles a la erosión, la corrosión o los impactos.

Los tres comparten la ventaja técnica que caracteriza a la familia Backward: una curva de potencia sin sobrecarga. La potencia de frenado alcanza su máximo cerca del punto de máxima eficiencia y, a continuación, disminuye a caudales más elevados. Esto significa que el motor nunca se sobrecargará, independientemente del punto de la curva del ventilador en el que funcione el sistema. Se trata de un margen de seguridad integrado que elimina el riesgo de quemadura del motor inherente a los diseños de palas curvadas hacia delante y radiales. Bill Cory, en su obra de referencia definitiva Ventiladores y ventilación (Elsevier, 2005) señala que la característica de no sobrecarga es el argumento más sólido a favor de la elección de ventiladores de palas curvadas hacia atrás en aplicaciones con una resistencia del sistema variable o incierta.

Principales aplicaciones industriales

Los ventiladores de palas curvadas hacia atrás y de perfil aerodinámico son los más utilizados en aplicaciones en las que la eficiencia, la fiabilidad y el bajo nivel de ruido son requisitos imprescindibles:

• Sistemas de climatización y unidades de tratamiento de aire (UTA) de gran tamaño para uso comercial: La curva de no sobrecarga protege contra la resistencia variable de los sistemas VAV a medida que las cajas de conexiones se abren y se cierran a lo largo del día.
• Refrigeración de centros de datos: Los ventiladores de perfil aerodinámico proporcionan los elevados volúmenes de aire y las presiones necesarias para la contención de pasillos calientes y fríos con un mínimo desperdicio de energía.
• Refrigeración de equipos compactos: En la gama de 120-280 mm y combinados con motores de control electrónico (EC), los impulsores de álabes curvados hacia atrás son la geometría predominante para la refrigeración de armarios eléctricos, la gestión térmica de los inversores y las cajas de telecomunicaciones.
• Salas blancas y laboratorios: El flujo de aire suave y estable de Airfoil, junto con la capacidad de los filtros HEPA/ULPA para soportar caídas de presión.
• Aire de combustión de tiro forzado: Los ventiladores de palas curvadas hacia atrás proporcionan la estabilidad de presión necesaria para el suministro de aire al quemador.
• Refrigeración de procesos industriales: Sistemas de conductos de gran tamaño con requisitos de presión estática de moderados a elevados.

Una tendencia destacada: la norma ASHRAE 90.1-2019 exige ahora un índice de eficiencia energética del ventilador (FEI) ≥ 1,0 para la mayoría de los ventiladores comerciales e industriales. Los ventiladores de palas curvadas hacia delante tienen dificultades para alcanzar un FEI ≥ 1,0 en la mayoría de los puntos de funcionamiento. Este cambio normativo está acelerando la transición de los ventiladores de palas curvadas hacia delante a los de palas curvadas hacia atrás en los nuevos equipos.

Cuándo los ventiladores de álabes curvados hacia atrás no son la opción adecuada

A pesar de su mayor eficiencia, los ventiladores de palas curvadas hacia atrás tienen claras limitaciones:

• Corrientes de aire con polvo o pegajosas: Aunque son menos propensas a atascarse que las palas curvadas hacia delante, con el tiempo se acumula polvo en la cara no activa, lo que provoca un desequilibrio.
• Entornos corrosivos o abrasivos: Las palas aerodinámicas, en particular, tienen paredes delgadas que no pueden soportar la erosión provocada por partículas abrasivas en suspensión.
• Limitaciones de espacio: Para un caudal y una presión determinados, los ventiladores de palas curvadas hacia atrás tienen un diámetro mayor y una estructura más robusta que sus equivalentes de palas curvadas hacia delante.

Ventiladores centrífugos de álabes radiales

Los ventiladores de palas radiales son los que se llevan el peso. No los eliges porque quieras, sino porque ningún otro modelo aguantaría las condiciones de uso. Sus palas rectas, parecidas a remos, que se extienden perpendicularmente desde el eje, los convierten, desde el punto de vista mecánico, en el diseño de ventilador centrífugo más sencillo y más resistente al maltrato.

Los impulsores radiales se presentan en tres configuraciones. Radial con envoltura Las ruedas cuentan con una placa trasera y un aro exterior que envuelven ambos lados de la pala; son las más resistentes y eficientes de la familia de las ruedas radiales. Placa trasera abierta Las ruedas solo tienen una placa trasera, lo que deja al descubierto las caras de las cuchillas en el lado de entrada para aplicaciones de desprendimiento de material. Ruedas de paletas abiertas No tienen ni placa trasera ni aro (solo palas en un buje) y se utilizan para las tareas de manipulación de materiales más exigentes.

Su característica principal es su geometría autolimpiante. Las palas rectas no presentan ninguna superficie cóncava en la que puedan acumularse los residuos. Gracias a los amplios espacios libres entre el impulsor y la carcasa, los ventiladores radiales pueden hacer pasar sólidos en suspensión que destruirían cualquier impulsor de palas curvas en cuestión de horas. Además, soportan temperaturas más elevadas y pueden recubrirse con un revestimiento duro, un recubrimiento o un revestimiento interior para su uso en entornos corrosivos y abrasivos.

El precio que hay que pagar por esta robustez es una baja eficiencia (60-70% en modo estático) y un alto nivel de ruido. Los ventiladores radiales son ruidosos. En espacios habitados, suele ser necesario utilizar silenciadores o recintos acústicos.

Los ventiladores radiales son la opción predeterminada (y, a menudo, la única) para:

• Sistemas de captación de polvo y filtros de mangas: El ventilador del lado sucio de cualquier sistema industrial de extracción de polvo.
• Transporte neumático: Transporte de virutas de madera, gránulos de plástico, cereales o chatarra metálica.
• Ventilación minera: Polvo abrasivo, alta humedad y funcionamiento ininterrumpido.
• Gases de escape a alta temperatura: Gases de combustión, gases de escape del horno, recirculación del horno.
• Entornos petroquímicos y peligrosos: Construcción resistente a las chispas.

Cómo elegir el tipo adecuado de ventilador centrífugo

Ahora ya sabes cuáles son los puntos fuertes y los puntos débiles de cada tipo. El reto consiste en aplicar esos conocimientos a tu caso concreto. Este marco de selección de tres pasos funciona como un embudo: cada paso elimina opciones hasta que te quedas con la opción adecuada.

Paso 1: La calidad del aire: el único factor decisivo

La calidad del aire es el único factor que puede prevalecer sobre cualquier otro criterio de selección.

• Aire limpio (sistemas de climatización de oficinas, centros de datos, salas blancas): Los cuatro tipos son técnicamente viables. Pasa al paso 2.
• Aire ligeramente contaminado (menos de 50 mg/m³ de partículas, en seco, no abrasivas): Los ventiladores de álabes curvados hacia delante quedan descartados. Los de álabes curvados hacia atrás pueden funcionar si se sigue un programa de limpieza regular. Los radiales son la opción más segura.
• Aire muy contaminado (polvorientos, abrasivos, corrosivos, pegajosos, a alta temperatura): Para aquí. Necesitas un ventilador radial.

Paso 2: Adaptación a los requisitos de presión y caudal de aire

Una vez aplicadas las restricciones relativas a la calidad del aire, la siguiente pregunta es: ¿qué volumen de aire hay que mover y contra qué resistencia?

La adaptación de curvas del sistema es el proceso mediante el cual se traducen estos rangos en una selección precisa. Aquí es donde el leyes sobre los aficionados se han convertido en herramientas de ingeniería imprescindibles. En ellas se describe cómo varía el rendimiento del ventilador en función de la velocidad (N = velocidad de rotación):

• Caudal de aire (Q) ∝ N: si se duplica la velocidad, se duplica el caudal de aire
• Presión estática (P) ∝ N²: si se duplica la velocidad, la presión se cuadruplica
• Potencia (W) ∝ N³: si se duplica la velocidad, la potencia se multiplica por ocho

Paso 3: Restricciones relacionadas con el ruido, el espacio y el presupuesto

Llegados a este punto, ya tienes una lista de los tipos de ventiladores que son técnicamente viables. La decisión final suele depender de las limitaciones prácticas:

Ruido: Los ventiladores aerodinámicos son los más silenciosos de tipo centrífugo por unidad de trabajo realizado. Los ventiladores radiales son siempre los más ruidosos.

Espacio: Los ventiladores de palas curvadas hacia delante destacan por su tamaño compacto. Los ventiladores de palas curvadas hacia atrás son los que más espacio físico necesitan para una misma función.

Presupuesto: La trampa aquí está en comparar los precios de compra. Los ventiladores con aspas curvadas hacia delante tienen el coste inicial más bajo, pero el mayor consumo energético. La cuestión en cuanto al presupuesto no es «¿qué ventilador cuesta menos comprar?», sino «¿qué ventilador sale más barato a largo plazo?».

Eficiencia energética, normativa y coste total de propiedad

La mayoría de las guías comparativas de ventiladores centrífugos se limitan al marco de selección. Sin embargo, hay otro aspecto que debe tenerse en cuenta en cualquier decisión de adquisición con visión de futuro: las fuerzas normativas y económicas que están redefiniendo qué tipos de ventiladores constituyen inversiones viables a largo plazo.

El cambio normativo más significativo que afecta a la selección de ventiladores centrífugos es la norma ASHRAE 90.1-2019, que sustituyó el antiguo indicador «Fan Efficiency Grade» (FEG) por el «Fan Energy Index» (FEI), calculado según la norma AMCA 208. La sección 6.5.3.1.3 de la norma ASHRAE 90.1-2019 exige un FEI ≥ 1,00 para la mayoría de los ventiladores de velocidad constante de más de 1 hp. En Europa existe una normativa paralela: el Reglamento (UE) n.º 327/2011 (la Directiva ErP, lote 11) establece requisitos mínimos de eficiencia para ventiladores de entre 125 W y 500 kW.

El análisis de los costes a lo largo de la vida útil refuerza la normativa. Consideremos un ventilador centrífugo con un motor de 15 kW, que funciona 6.000 horas al año, con una tarifa eléctrica industrial de $0,10/kWh:

De cara al futuro, los motores de imanes permanentes con conmutación electrónica (EC) están empezando a transformar el panorama de la eficiencia de los ventiladores centrífugos. Los motores EC alcanzan una eficiencia entre 5 y 15 puntos porcentuales superior a la de los motores de inducción de CA tradicionales, especialmente a carga parcial. Cuando se combinan con impulsores de álabes curvados hacia atrás o aerodinámicos, es posible alcanzar eficiencias de «cable a aire» a nivel de sistema superiores a 80%. ACDCECFAN fabrica ventiladores centrífugos de CA, CC y EC en el rango de 25 a 280 mm para armarios eléctricos, inversores, cajas de telecomunicaciones y sistemas de almacenamiento de energía, y su equipo de ingeniería ofrece asesoramiento personalizado cuando una curva estándar no se ajusta a su punto de funcionamiento (Consulta el catálogo de ventiladores centrífugos de ACDCECFAN).

Referencias

• Sociedad Americana de Ingenieros de Calefacción, Refrigeración y Aire Acondicionado (ASHRAE). «Norma ANSI/ASHRAE/IES 90.1-2019 — Norma energética para edificios, excepto edificios residenciales de baja altura». ashrae.org
• Asociación Internacional de Movimiento y Control del Aire (AMCA). «Norma ANSI/AMCA 208-18: Cálculo del índice energético de los ventiladores». amca.org
• Cory, W.T.W. (Bill). Ventiladores y ventilación: una guía práctica. Elsevier Science, 2005.
• Revista «ICC Building Safety Journal». «Disposiciones sobre la eficiencia de los ventiladores en los códigos y normas energéticos modelo». iccsafe.org
• Asociación para el Control y el Movimiento del Aire (AMCA). «Publicación 303 de la AMCA: Aplicación de los valores nominales del nivel de potencia acústica para ventiladores».
• Comisión Europea. «Reglamento (UE) n.º 327/2011 de la Comisión — Requisitos de diseño ecológico para ventiladores».
• ACDCECFAN. «Productos de ventiladores centrífugos». acdcecfan.com