Ventilador (máquina)

En 1849, un ventilador de vapor de 6 m de radio, diseñado por William Brunton , se puso en funcionamiento en la mina de carbón Gelly Gaer del sur de Gales . El modelo se exhibió en la Gran Exposición de 1851. También en 1851 , David Boswell Reid , un médico escocés, instaló cuatro ventiladores de vapor en el techo del Hospital St. George de Liverpool para que la presión producida por los ventiladores impulsara el aire entrante hacia arriba y a través de las rejillas de ventilación del techo. ^{[ 8 ] [ 9 ]} James Nasmyth , el francés Theophile Guibal y JR Waddle realizaron mejoras en la tecnología . ^{[ 10 ]}

Entre 1882 y 1886, Schuyler Wheeler inventó un ventilador eléctrico. ^{[ 11 ]} Fue comercializado por la empresa estadounidense Crocker & Curtis, especializada en motores eléctricos. En 1885, Stout, Meadowcraft & Co., en Nueva York, comercializó un ventilador eléctrico de sobremesa de accionamiento directo. ^{[ 12 ]}

En 1882, Philip Diehl desarrolló el primer ventilador eléctrico de techo del mundo . Durante este intenso período de innovación, los ventiladores que funcionaban con alcohol, aceite o queroseno eran comunes a principios del siglo XX.

En 1909, KDK de Japón fue pionera en la invención de ventiladores eléctricos de producción masiva para uso doméstico. En la década de 1920, los avances industriales permitieron la producción en masa de ventiladores de acero en diferentes formas, lo que redujo sus precios y permitió que más propietarios pudieran adquirirlos. En la década de 1930, Emerson diseñó el primer ventilador art déco (el "Cisne Plateado"). ^{[ 13 ]} Para la década de 1940, Crompton Greaves de la India se convirtió en el mayor fabricante mundial de ventiladores de techo eléctricos, principalmente para la venta en la India, Asia y Oriente Medio. Para la década de 1950, los ventiladores de mesa y de pie se fabricaban en colores brillantes y resultaban llamativos. Los ventiladores de techo son extremadamente populares en países del sur de Asia, como la India, donde proporcionan una refrigeración rentable en climas cálidos. ^{[ 14 ] [ 15 ]}

El aire acondicionado de ventana y central en la década de 1960 provocó que muchas empresas interrumpieran la producción de ventiladores, ^{[ 16 ]} pero a mediados de la década de 1970, con una creciente conciencia del costo de la electricidad y la cantidad de energía utilizada para calentar y enfriar los hogares, los ventiladores de techo de estilo de principios de siglo volvieron a ser populares como elementos decorativos y energéticamente eficientes.

En 1998, William Fairbank y Walter K. Boyd inventaron el ventilador de techo de alto volumen y baja velocidad (HVLS) , diseñado para reducir el consumo de energía mediante el uso de aspas largas que giran a baja velocidad para mover un volumen de aire relativamente grande. ^{[ 17 ]}

Los ventiladores axiales tienen aspas que fuerzan el aire a moverse paralelamente al eje alrededor del cual giran. Este tipo de ventilador se utiliza en una amplia variedad de aplicaciones, desde pequeños ventiladores de refrigeración para componentes electrónicos hasta los ventiladores gigantes utilizados en torres de refrigeración . Los ventiladores axiales se emplean en sistemas de aire acondicionado y procesos industriales. Los ventiladores axiales estándar tienen diámetros de 300–400  mm o 1800–2000  mm y funcionan a presiones de hasta 800 Pa . Algunos tipos especiales de ventiladores se utilizan como etapas de compresores de baja presión en motores de aeronaves. Ejemplos de ventiladores axiales son:

• Ventilador de mesa: Los elementos básicos de un ventilador de mesa típico incluyen las aspas, la base, el inducido y los cables conductores , el motor, la rejilla protectora de las aspas , la carcasa del motor, la caja de engranajes del oscilador y el eje del oscilador. El oscilador es un mecanismo que mueve el ventilador de lado a lado. El eje del inducido sale por ambos extremos del motor; un extremo del eje está unido a las aspas y el otro a la caja de engranajes del oscilador. La carcasa del motor se une a la caja de engranajes para contener el rotor y el estator. El eje del oscilador une la base con peso y la caja de engranajes. Una carcasa del motor cubre el mecanismo del oscilador. La rejilla protectora de las aspas se une a la carcasa del motor para mayor seguridad.
• Extractor doméstico: Montado en la pared o el techo, el extractor doméstico se utiliza para eliminar la humedad y el aire viciado de las viviendas. Los extractores de baño suelen utilizar un  impulsor de 100 mm (4 pulgadas), mientras que los de cocina suelen usar uno de 150  mm (6 pulgadas), ya que la habitación suele ser más grande. En baños más grandes también se utilizan ventiladores axiales con impulsores de 125 mm (5 pulgadas  ), aunque son mucho menos comunes. Los extractores axiales domésticos no son adecuados para conductos de más de 3  o 4 metros (3 o 4  metros, según el número de codos), ya que la mayor presión del aire en tuberías más largas reduce el rendimiento del ventilador.
• Los extractores de aire de funcionamiento continuo funcionan a una velocidad muy baja, aumentando su velocidad cuando es necesario, por ejemplo, al encender la luz del baño. A velocidad de funcionamiento, son extractores de aire normales. Extraen típicamente de 5 a 10  l/s a velocidad continua y consumen poca electricidad, 1 o 2 vatios, lo que resulta en un bajo costo anual. Algunos incorporan sensores de humedad para controlar el funcionamiento a baja velocidad. Tienen la ventaja de garantizar la ventilación y evitar la acumulación de humedad. Como alternativa, se puede instalar un extractor de aire normal para que funcione intermitentemente a máxima potencia con el mismo propósito. ^{[ 19 ]}
• Ventiladores electromecánicos: Entre los coleccionistas, se clasifican según su estado, tamaño, antigüedad y número de aspas. Los de cuatro aspas son los más comunes. Los de cinco o seis aspas son raros. Los materiales con los que están hechos los componentes, como el latón, son factores importantes que influyen en el valor del ventilador.
• Un ventilador de techo es un aparato que cuelga del techo de una habitación. La mayoría de los ventiladores de techo giran a velocidades relativamente bajas y no tienen protectores para las aspas, ya que son inaccesibles y difíciles de manejar. Los ventiladores de techo se utilizan tanto en entornos residenciales como industriales y comerciales.
• En los automóviles , un ventilador mecánico o eléctrico refrigera el motor y evita su sobrecalentamiento al soplar o aspirar aire a través de un radiador lleno de refrigerante . El ventilador puede ser accionado por una correa y una polea conectadas al cigüeñal del motor o por un motor eléctrico que se activa o desactiva mediante un interruptor termostático .
• Ventilador de ordenador para refrigerar componentes eléctricos y en refrigeradores de portátiles .
• Los ventiladores que se encuentran dentro de los amplificadores de potencia de audio ayudan a disipar el calor de los componentes eléctricos.
• Ventilador de paso variable : Un ventilador de paso variable se utiliza para controlar con precisión la presión estática dentro de los conductos de suministro. Las aspas están dispuestas para girar sobre un eje de control de paso. El rotor gira a velocidad constante. Las aspas siguen el movimiento del eje de control de paso. A medida que el eje se mueve hacia el rotor, las aspas aumentan su ángulo de ataque, lo que resulta en un aumento del caudal.

A menudo llamado "jaula para ardillas" (debido a su parecido con las ruedas de ejercicio para roedores) o "ventilador de espiral", el ventilador centrífugo tiene un componente móvil (llamado impulsor ) que consiste en un eje central alrededor del cual se colocan unas aspas que forman una espiral o nervaduras. Los ventiladores centrífugos impulsan el aire perpendicularmente a la entrada y lo hacen girar hacia la salida (por deflexión y fuerza centrífuga ). El impulsor gira, lo que provoca que el aire entre en el ventilador cerca del eje y se mueva perpendicularmente desde este hasta la abertura en la carcasa del ventilador, que tiene forma de espiral. Un ventilador centrífugo produce mayor presión para un volumen de aire determinado y se utiliza donde esto es deseable, como en sopladores de hojas , secadores de pelo , infladores de colchones de aire, estructuras inflables , climatización en unidades de tratamiento de aire y diversos usos industriales. Suelen ser más ruidosos que los ventiladores axiales comparables (aunque algunos tipos de ventiladores centrífugos son más silenciosos, como los que se encuentran en las unidades de tratamiento de aire).

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  Diagrama de un ventilador centrífugo, con una vista superior para mostrar el flujo de aire.
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  Ventilador centrífugo típico
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  Ventilador centrífugo instalado en un ordenador portátil. El ventilador desplaza el aire sobre el conjunto de aletas, que contiene un par de tubos disipadores de calor.

El ventilador de flujo cruzado o tangencial fue patentado en 1893 por Lionel Hightower, ^{[ 20 ] [ 21 ]} y se utiliza ampliamente en sistemas de calefacción, ventilación y aire acondicionado (HVAC), especialmente en aires acondicionados split sin conductos. El ventilador suele ser largo en relación con su diámetro, por lo que el flujo permanece aproximadamente bidimensional lejos de los extremos. El ventilador de flujo cruzado utiliza un impulsor con álabes curvados hacia adelante, ubicado en una carcasa que consta de una pared trasera y una pared de vórtice . A diferencia de las máquinas radiales, el flujo principal se mueve transversalmente a través del impulsor, pasando por los álabes dos veces.

El flujo dentro de un ventilador de flujo cruzado se puede dividir en tres regiones distintas: una región de vórtice cerca de la descarga del ventilador, llamada vórtice excéntrico, la región de flujo pasante y una región de paletas directamente opuesta. Tanto la región de vórtice como la de paletas son disipativas y, como resultado, solo una parte del impulsor imparte trabajo útil al flujo. ^{[ 22 ]} El ventilador de flujo cruzado, o ventilador transversal, es, por lo tanto, una máquina de admisión parcial de dos etapas. La popularidad del ventilador de flujo cruzado en HVAC se debe a su compacidad, forma, funcionamiento silencioso y capacidad para proporcionar un alto coeficiente de presión. En la práctica, es un ventilador rectangular en términos de geometría de entrada y salida, el diámetro se adapta fácilmente al espacio disponible y la longitud es ajustable para cumplir con los requisitos de caudal de la aplicación particular.

Los ventiladores de torre domésticos comunes también son ventiladores de flujo cruzado. ^{[ 23 ]} Gran parte del trabajo inicial se centró en el desarrollo del ventilador de flujo cruzado para condiciones de caudal alto y bajo, lo que dio lugar a numerosas patentes. Las contribuciones clave fueron realizadas por Coester, Ilberg y Sadeh, Porter y Markland, y Eck. Un fenómeno interesante, particular del ventilador de flujo cruzado, es que, a medida que las aspas giran, cambia el ángulo de incidencia del aire local. Como resultado, en ciertas posiciones, las aspas actúan como compresores (aumento de presión), mientras que en otras posiciones azimutales, actúan como turbinas (disminución de presión).

Dado que el flujo entra y sale del impulsor radialmente, el ventilador de flujo cruzado ha sido estudiado y prototipado para posibles aplicaciones en aeronaves. ^{[ 24 ]} Debido a la naturaleza bidimensional del flujo, el ventilador puede integrarse en un ala para su uso tanto en la producción de empuje como en el control de la capa límite. Una configuración que utiliza un ventilador de flujo cruzado ubicado en el borde de ataque del ala es el concepto de diseño FanWing desarrollado inicialmente alrededor de 1997 y en desarrollo por una empresa del mismo nombre. Este diseño crea sustentación al desviar la estela hacia abajo debido a la dirección de rotación del ventilador, causando una gran fuerza de Magnus , similar a un cilindro de borde de ataque giratorio. Otra configuración que utiliza un ventilador de flujo cruzado para el empuje y el control del flujo es el ala propulsora , otro prototipo de concepto experimental desarrollado inicialmente en las décadas de 1990 y 2000. En este diseño, el ventilador de flujo cruzado se coloca cerca del borde de salida de un ala gruesa y extrae el aire de la superficie de succión (superior) del ala. De este modo, el ala propulsora prácticamente no entra en pérdida, incluso con ángulos de ataque extremadamente altos, generando una sustentación muy elevada. Sin embargo, los conceptos de ala en abanico y ala propulsora siguen siendo experimentales y solo se han utilizado en prototipos no tripulados.

Un ventilador de flujo cruzado es un ventilador centrífugo en el que el aire fluye directamente a través del ventilador en lugar de hacerlo en ángulo recto. El rotor de un ventilador de flujo cruzado está cubierto para crear un diferencial de presión. Un ventilador de flujo cruzado tiene dos paredes exteriores al impulsor y una pared de vórtice gruesa en el interior. El espacio radial disminuye en la dirección de rotación del impulsor. La pared trasera tiene un perfil logarítmico en espiral, mientras que el estabilizador de vórtice es una pared horizontal delgada con un borde redondeado. ^{[ 25 ]} La diferencia de presión resultante permite que el aire fluya directamente a través del ventilador, aunque las aspas del ventilador contrarresten el flujo de aire en un lado de la rotación. Los ventiladores de flujo cruzado proporcionan flujo de aire a lo largo de todo el ancho del ventilador; sin embargo, son más ruidosos que los ventiladores centrífugos comunes. Los ventiladores de flujo cruzado se utilizan a menudo en aires acondicionados sin conductos , puertas de aire , en algunos tipos de refrigeradores para computadoras portátiles , en sistemas de ventilación de automóviles y para la refrigeración de equipos de tamaño mediano, como fotocopiadoras . ^{[ 26 ]}

Los ventiladores Dyson Air Multiplier, introducidos en el mercado de consumo en 2009, popularizaron un diseño de Toshiba de 1981 que produce un ventilador sin aspas expuestas ni otras partes móviles visibles (a menos que se complementen con otras características como la oscilación y el ajuste direccional). ^{[ 27 ]} Una cantidad relativamente pequeña de aire de un ventilador impulsor de aspas de alta presión, que está contenido dentro de la base en lugar de estar expuesto, induce el flujo más lento de una masa de aire mayor a través de una abertura circular u ovalada mediante un área de baja presión creada por una superficie con forma de perfil aerodinámico (el efecto Coandă ). ^{[ 27 ] [ 28 ] [ 29 ]}

Las cortinas y puertas de aire también utilizan este efecto para ayudar a retener el aire caliente o frío dentro de un área expuesta que carece de cubierta o puerta. Las cortinas de aire se utilizan comúnmente en vitrinas abiertas para lácteos, congeladores y verduras para ayudar a retener el aire frío dentro del gabinete mediante un flujo de aire laminar que circula a través de la abertura de la vitrina. El flujo de aire generalmente se genera mediante un ventilador mecánico de cualquier tipo, como se describe en este artículo, y está oculto en la base del gabinete de exhibición. Los difusores lineales de ranura de HVAC también utilizan este efecto para aumentar el flujo de aire de manera uniforme en las habitaciones en comparación con las rejillas, al tiempo que reducen el consumo de energía del ventilador de la unidad de tratamiento de aire .

En los vehículos, un ventilador con conducto es un método de propulsión en el que un ventilador, hélice o rotor está rodeado por un conducto o cubierta aerodinámica que mejora su rendimiento para crear empuje o sustentación aerodinámica para transportar el vehículo.

En los sistemas de ventilación, un ventilador de chorro, también conocido como ventilador de impulso o de inducción, expulsa una corriente de aire que arrastra el aire ambiente para hacerlo circular. El sistema ocupa menos espacio que los conductos de ventilación convencionales y puede aumentar significativamente las tasas de entrada de aire fresco y expulsión de aire viciado. ^{[ 30 ]}