Del 4 al 8 de febrero de 2024 tuvo lugar en Houston, TX, la conferencia anual del Cooling Tower Institute (CTI), el evento más prestigioso del mundo en este sector.
FanTR estuvo presente no sólo como expositor de productos y soluciones para torres de refrigeración, sino también como ponente.
Consulta la publicación sobre el evento en: CONFERENCIA ANUAL Y EXPO CTI 2024.
Selección de materiales para aspas de ventilador: Una guía completa
Marcelo Carvalho, director comercial, y Ricardo Costa, coordinador de P&D, presentaron un seminario formativo titulado: "Selección de materiales para aspas y ventiladores: una guía completa".
Durante esta participación, Marcelo Carvalho, director comercial, y Ricardo Costa, coordinador de P&D, compartieron valiosos conocimientos que se presentan en este artículo.
Consulta abajo:
Foto: Evento CTI 2024
Durante la presentación, FanTR trató de aclarar la relación entre el rendimiento aerodinámico y estructural de los grandes ventiladores axiales y los materiales y procesos de fabricación empleados para fabricar las aspas. Además, se trataron puntos importantes a la hora de elegir elementos de fijación, haciendo hincapié en los que se aplican a los cubos de los ventiladores.
Se pudo aclarar que el análisis de las propiedades mecánicas es sólo una de las características para definir el mejor material. Las posibilidades de diseño asociadas a cada material y proceso de fabricación, que definen la libertad para crear geometrías aerodinámicas complejas, fue el tema central de la presentación.
A modo de ejemplo, se presentaron algunas posibles geometrías de transición entre las aspas y el cubo de los ventiladores:
Figura 1: Transición brusca Figura 2: Transición suave
La primera figura muestra una transición abrupta entre el aspa y el buje, que da lugar a mejores condiciones aerodinámicas en la región de la raíz del aspa. La segunda figura muestra una transición suave que, a pesar de ser estructuralmente más conservadora, puede causar problemas de recirculación aerodinámica en la región de la raíz y, en consecuencia, una menor eficiencia del ventilador.
FanTR explicó el origen de esta condición aerodinámica y señaló que la adopción de un seal disk, como se muestra en la figura 2, puede minimizar el problema. También hizo hincapié en que no todos los ventiladores necesitan un seal disk. Si el fabricante tiene, por ejemplo, la posibilidad de aumentar el espesor del material en la región de la raíz del aspa, como forma de disipar la tensión mecánica, se puede adoptar una transición abrupta. En este caso, se resuelve la condición de recirculación en la raíz y se pueden alcanzar mejores eficiencias. Esta es una condición, sin embargo, que no todos los materiales/procesos pueden proporcionar.
Análisis de recursos para proyectos aerodinámicos
Se presentaron algunos de los recursos aerodinámicos disponibles para diseñar aspas de ventilador eficientes. Entre ellos figuran la variación de la cuerda (una medida de la longitud del perfil aerodinámico) entre la raíz y la punta y la torsión del aspa.
Figura 3: Variación de la cuerda entre la raíz y la punta del aspa para mantener un flujo uniforme (velocidad)
Figura 4: Ejemplo de torsión aerodinámica del aspa para compensar la diferencia de velocidades entre la raíz y la punta
Se ha demostrado que la velocidad del aire en el aspa del ventilador no es constante. Debido al movimiento de rotación, la punta del aspa tiene una velocidad mayor que la raíz. Las valiosas características aerodinámicas mostradas en los ejemplos anteriores se detallaron en la presentación. Se utilizan para homogeneizar el flujo de aire producido a lo largo de la posición radial del ventilador, equilibrar los esfuerzos aerodinámicos y mejorar la eficiencia global del ventilador. Sin embargo, estos recursos no pueden utilizarse en función del material o el proceso de fabricación elegidos.
En este punto, a través de los ejemplos propuestos, quedó clara la relación intrínseca entre el rendimiento aerodinámico y estructural y el tipo de material/proceso elegido.
A continuación, FanTR ejemplificó los materiales utilizados en la fabricación de grandes aspas de ventilador axial: materiales compuestos y aluminio.
Comparación de materiales y procesos de fabricación de aluminio y materiales compuestos
En cuanto al aluminio, se explicó que sus propiedades están definidas por normas, generalmente divididas en aleaciones, y que es isótropo. Para los grandes ventiladores, existen principalmente dos procesos de fabricación: extrusión o moldeado. La extrusión da lugar a estructuras continuas de aluminio, lo que impide aplicar las características de diseño aerodinámico antes mencionadas. El proceso de moldeado del aluminio es más versátil y sólo es viable con espesores de chapa muy finos. El grosor de las chapas limita la resistencia de las aspas y su aplicación en proyectos con cargas elevadas, como los ACC (Air Cooler Condensers). La resistencia al impacto también se ve comprometida en este caso.
FanTR abordó a continuación la definición de material compuesto y las distintas posibilidades de composición de estos materiales, destacando que, asociados a procesos de fabricación, pueden dar lugar a propiedades mecánicas muy diferentes. A modo de ilustración, se presentó un gráfico que ofrecía una visión general de los pesos y resistencias de distintos materiales:
FanTR llamó la atención sobre la "posición estratégica" de los materiales compuestos en este gráfico, ocupando una posición de densidad (peso) intermedia. También llamó la atención sobre la escala logarítmica de resistencia (eje vertical del gráfico). En este ejemplo, las resistencias pueden variar de <100MPa a >1.000MPa. Lo que explica esta diferencia es la composición del propio material (combinación de fibras, resinas, etc.) y el proceso de fabricación asociado.
Figura 5: Comparación del peso y la resistencia de los materiales
FanTR dio ejemplos de algunos procesos de fabricación de compuestos, como Hand Lay Up, RTM e Infusion. También facilitó comparaciones de las resistencias mecánicas de compuestos "idénticos" -la misma resina y fibra- pero con distintos procesos de fabricación. Se observó que el proceso de infusión produce composites con resistencias mecánicas mucho mayores que el proceso Hand Lay Up y también que el aluminio. Esta superioridad se atribuye al mejor control de calidad del proceso y a la obtención de composites con un contenido de fibra significativamente mayor en comparación con el proceso manual.
Aluminio o composite: ¿Cuál es la mejor opción?
Por último, FanTR quiso concluir su presentación con el siguiente cuadro:
Figura 6: Cuadro comparativo entre aluminio y materiales compuestos
Este cuadro resume íntegramente la presentación. Los materiales utilizados en la fabricación de grandes aspas de ventilador se destacan en dos columnas: aluminio y material compuesto.
Las filas desglosan los resultados en dos categorías: posibilidad de aplicar plenamente los recursos de diseño aerodinámico o con alguna restricción. A modo de desglose, en el interior de la tabla se muestran los procesos de fabricación asociados.
Se observa que tanto el aluminio como el composite tienen procesos limitados, como la extrusión y la pultrusión. Se trata de procesos de fabricación continuos sin posibilidad de utilizar la optimización de la cuerda variable, la torsión o el grosor a lo largo del aspa, lo que limita la posibilidad de optimización aerodinámica y estructural y, en consecuencia, el rendimiento de los ventiladores. Estos procesos dan lugar a estructuras más baratas.
Por otro lado, en términos de geometría, ambos materiales pueden beneficiarse de procesos con mayor libertad de diseño. Los materiales compuestos moldeados pueden adoptar geometrías complejas con facilidad.
En cambio, el aluminio moldeado ofrece libertad de diseño con algunas limitaciones. Aunque el aluminio puede moldearse en geometrías más complejas, generalmente se hace con chapas finas. Dada la limitación del grosor y la resistencia estructural de las chapas, se requieren ciertas condiciones de contorno, especialmente en la región de transición entre el cubo y el aspa.
Esto aumenta el coste del ventilador y no resuelve totalmente los problemas estructurales, lo que lo convierte en un proceso restrictivo para proyectos que impliquen grandes cargas o requisitos de impacto.
Por último, los compuestos moldeados destacan por su flexibilidad aerodinámica y de diseño estructural, y pueden dar lugar a estructuras muy optimizadas. En este contexto, algunos procesos de fabricación, como la infusión, destacan por ofrecer excelentes propiedades mecánicas, mayor resistencia a la fatiga y un control más preciso de la calidad del proceso, ya que depende menos de la habilidad de un laminador profesional.
Cabe destacar que la cantidad de insumos necesarios para fabricar las láminas por infusión aumenta naturalmente los costes de producción.
Como se desprende del contexto presentado, no existe un material o proceso correcto o incorrecto para su aplicación en aspas de ventiladores axiales. Lo que existe es un compromiso entre eficacia aerodinámica/estructural y coste. Las soluciones más eficientes cuestan más.
Por lo tanto, es correcto suponer que el análisis financiero de una aplicación se realiza sobre la base del consumo de energía a perpetuidad (por ejemplo, 20 años de funcionamiento continuo).
El ahorro energético futuro puede traerse a valor presente como forma de comparar equitativamente el coste de todas las soluciones disponibles en el mercado en el momento de la negociación.
