DISEÑO DE DUCTOS
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CALCULO DE UN DUCTO PARA AIRE ACONDICIONADO Instalar un ducto en forma correcta es fundamental para la distribución eficiente de un sistema de climatización. Los ductos de tamaño demasiado grande tendrán una velocidad de aire demasiado baja en su interior, lo cual hará que el aire pase demasiado tiempo en el interior del ducto, alterando significativamente la temperatura fijada de la descarga. Los que son demasiado pequeños tienen una velocidad que es muy alta, lo que provocará un aumento de la presión estática, originando ruidos molestos. Si la presión estática es demasiado alta, el flujo de aire se reduce drásticamente a los largo del ducto. Calcular el tamaño correcto del ducto del aire acondicionado es un procedimiento simple, pero importante. Cómo calcular el tamaño de un ducto Los ductos se utilizan principalmente para calefacción, aire acondicionado y ventilación. Su función es dirigir y entregar aire en condiciones ambientales controladas en determinados lugares definidos previamente. También se utilizan para eliminar el aire a través de un sistema de evacuación de aire. Los ductos se deben dimensionar de acuerdo a las necesidades de flujo de aire operacional y a la velocidad requerida por el área a acondicionar. Aspectos importantes 1. Se debe hallar la tasa de flujo de aire requerida, o "Q", asociada con la aplicación del conducto. Se trata de un número volumétrico en metros cúbicos por segundo o m3/s. 2. Halla la velocidad del aire, o "v", asociada con la aplicación del conducto. Teniendo como referencia los parámetros definidos por consultores reconocidos. 3. Calcular el tamaño del ducto necesario que con una expresión sencilla de puede definir por: A = q/v, donde A es el área transversal de un conducto en metros cuadrados o m2. Como referencia de expertos se tiene que si “Q” es 40 m3/s y v es 10 m/s, entonces A = (40/10) = 4m2 ALGUNOS CÁLCULOS PARA DISEÑO DE DUCTOS Primeramente se relaciona el caudal de aire en CFM (de acuerdo a las unidades manejadas) con la ganancia de calor sensible debido a los diferentes elementos como paredes, ventanas, electrodomésticos, personas y demás que pueden generar un determinado calor sensible dentro del área a acondicionar, según la siguiente expresión. qs = 60 * Q * d * Cp * (text – tint) 60 depende de las unidades manejadas en el caudal qs = Calor sensible BTU / hora Q = caudal de aire en CFM d = densidad del aire lbm/p3 = 0,075 Cp = Calor específico del aire BTU / lb-°F = 0,24 (text – tint) = temperatura exterior – temperatura interior de diseño en °F
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De esta expresión se define el caudal de aire (Q) necesario para satisfacer las necesidades del diseño a una determinada temperatura de acondicionamiento con las cargas ya definidas. VELOCIDADES Son ductos de baja velocidad de diseño los que sostienen velocidades hasta de 12 mts/sgd. Son ductos de alta velocidad de diseño lo que sostienen velocidades mayores a 12 mts/sgd. PRESIONES DENTRO DEL DUCTO Clase I o ductos de baja presión, son aquellos que soportan una caída hasta de 90 m.m. de c.a. Clase II o ductos de media presión, son aquellos que soportan caída de 90 a 180 m.m. de c.a. Clase III o ductos de alta presión, son aquellos que soportan caída mayor de 180 m.m. de c.a. PÉRDIDAS EN EL DUCTO ∆ P / L = 0,5 * d * v 2 / Deq Deq = 1,3(H * W)0,625 / (H + W)0,25 Donde: H = altura del ducto W = ancho del ducto ∆ P / L se estima de 1 a 5 para velocidades hasta de 10 mts / sgd. ∆ P / L se estima menor a 1 para velocidades mayores de 10 mts / sgd. Aplicación Residencia Social Dormitorio Oficina Cines Restaurantes Industria
Ducto Principal Suministro retorno 5 4 7,5 6,5 10 7,5 6,5 5,5 10 7,5 15 9
Ducto Derivado suministro retorno 3 3 6 5 8 6 5 4 8 6 11 7,5
VENTILADORES Centrífugo o de caracol o Roto-ventilador Axial o convencional de hélice. Eficiencia para los ventiladores. Si el ventilador es pequeño la eficiencia ᵑ se estima entre 0,3 y 0,5 Si el ventilador es mediano la eficiencia ᵑ se estima entre 0,5 y 0,7 Si el ventilador es grande la eficiencia ᵑ se estima entre 0,7 y 0,9 La potencia del ventilador en vatios se calcula de la siguiente forma. P en vatios = ᵑ * Q * ∆ P Q = caudal en CFM
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∆ P en m.m de c.a. 6 12 18
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V (mts/sgd) Centrífugo 2 a 2,5 2,5 a 7,5 4,5 a 8,5
V (mts/sgd) Axial 4,5 a 7,5 6,5 a 9,5 8,5 a 11,5
ASPECTOS ARQUITECTONICOS EN DISEÑO DE DUCTOS Se analiza el sistema de ducto adecuado y se discute la selección y ubicación de las rejillas de suministro de aire. Los criterios de confort humano, movimiento y circulación del aire pueden proporcionar información importante para su planteamiento. Sin embargo, el diseño estructural y requerimientos funcionales de los edificios normalmente afectan al diseño en general. Comúnmente, las estructuras comerciales están construidas de tal forma que no permiten instalar los conductos del sistema de distribución de aire de una manera apropiada. En estos lugares el espacio es de gran importancia, tanto el techo como el piso, cualquier obstáculo puede afectar al efecto de distribución dentro del área. Si no es posible utilizar el sistema ideal, debe tenerse cuidado en seleccionar y ubicar con cierto cuidado el equipo de difusión del aire, buscando los mejores resultados. Para ventilar un recinto o una máquina, ya sea impulsando aire o bien extrayéndole, es muy normal tener que conectar el ventilador o extractor por medio de un ducto, de mayor o menor longitud. El fluir del aire por tal conducto absorbe energía del ventilador que lo extrae o impulsa debido al roce con las paredes, los cambios de dirección o los obstáculos que se hallan a su paso. La optimización de una instalación exige que se minimice esta parte de energía pérdida. Un ducto rectangular con la misma pérdida por fricción tendrá una mayor área equivalente a un ducto redondo. Esto se debe a su forma rectangular, que tiene una mayor relación de superficie de ducto con área transversal, por lo que causa mayor fricción. Este problema empeora a medida que se incrementa la relación entre las dimensiones de los dos lados adyacentes del ducto rectangular. Como regla general, las relaciones de aspecto de los ductos rectangulares deben ser tan bajas como sea posible para mantener razonablemente bajas las pérdidas por fricción, evitando así un exceso de consumo de energía. Las canalizaciones de aire no siempre se componen de ramales rectilíneos sino que a menudo se presentan cambios en su trayectoria que obligan al uso de codos, desviaciones, entradas, salidas, obstáculos, nudos, etc. Todos los cuales ofrecen resistencia al paso del aire provocando pérdidas de la presión del sistema. Para conocer la resistencia total de un sistema de ductos será necesario calcular las pérdidas de cada uno de tales conexiones y sumarlas a las de los tramos rectos.
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Dimensionamiento de ductos Para cada área se debe considerar una cantidad de aire, en ello va incluida la capacidad equivalente y caudal necesaria. Encontramos varios métodos por el cual se puede dimensionar los conductos como el método de igual fricción o el método de recuperación estática por medio del ducto. AISLAMIENTO TÉRMICO DE DUCTOS PARA AIRE ACONDICIONADO. Los ductos de aire acondicionado interiores deberán aislarse con material de fibra de vidrio, con recubrimiento de aluminio reforzado con kraft, de 25 mm (1”) de espesor y resistividad de 0.581 m2*°K/W. Los ductos de aire acondicionado que se instalen a la intemperie deberán aislarse con material de fibra de vidrio, con recubrimiento de aluminio reforzado con kraft, con espesor de 38 mm (1-1/2”) y resistividad de 0.581 m2*°K/W Para el caso de ductos exteriores se debe proteger el aislamiento con un sobre-ducto de lámina galvanizada calibre 24 o con un recubrimiento a base de cemento monolítico de 25 mm (1”) de espesor aplicado sobre manta y tela de metal desplegado, con acabado impermeabilizado y pintura color claro. VENTILACIÓN MECÁNICA. La forma más económica de eliminar el aire viciado de un local es por medio de la ventilación mecánica, ya sea inyección, extracción o combinación de ambas. Esta forma de acondicionamiento es usada donde la temperatura y la humedad del aire no son parámetros a controlar, como en cuartos de máquinas, cocinas, estacionamientos, talleres pesados y cualquier local de edificios ubicados en el altiplano, suponiendo que la ventilación natural no es suficiente por el tipo de construcción. La cantidad de aire a manejar se debe determinar en función al uso del local y su volumen
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Cómo calcular CFM de RPM Los desarrolladores de mecanismos de movimiento de aire tales como ventiladores y compresores deben tener en cuenta la relación básica entre la velocidad del ventilador o del rotor en rpm (revoluciones por minuto) y el flujo volumétrico de aire en CFM (pies 3/minuto, por sus siglas en inglés). Aunque estas máquinas tienen diferentes principios de funcionamiento, su característica común es que cada revolución de su eje giratorio de entrada dará lugar a una cierta cantidad de flujo volumétrico de aire (o gas) a través de ellos cuando están funcionando como se han diseñado en función de su tono o factor de desplazamiento. VENTILADOR AXIAL 1. De acuerdo a la ley general de ventiladores que rige a los ventiladores axiales, tendrás que saber el diámetro de las aspas y el tono del ventilador (inclinación de la hoja o el ángulo de ataque) junto con la variable rpm para calcular los CFM. En este ejemplo, un soporte tiene un ventilador de tres aspas de plástico con un diámetro de 1 pie (30,48 cm) y un tono efectivo de 8 pulgadas (20,32 cm). Esto significa que cada revolución del ventilador sopla la columna de aire de un pie de diámetro que entra a través del ventilador de 8 pulgadas hacia ti después de contabilizar las pérdidas de eficiencia. El ventilador está funcionando a 1200 rpm. 2. Se calcula la velocidad lineal del aire a través del ventilador en funcionamiento. Si cada revolución mueve el aire 8 pulgadas (20,32 cm), entonces 1200 rpm multiplicado por 8 pulgadas significa que el aire está siendo movido 9600 pulgadas/minuto (243,84 m/minuto.) u 800 pies en un minuto. Otra forma de verlo es que el ventilador mueve una columna de aire de 800 pies (243,84 m) de largo, que es de 1 pie (30,48 cm) de diámetro a través del espacio a cada minuto.
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3. Se calcula el CFM (flujo volumétrico de aire) a 1200 rpm. El volumen de la columna de aire que se describe en el paso 2 es pi (3,1416) x radio del ventilador 2 (0,5 pies2) por la longitud de la columna en pies. Esto sería 3,1416 x 0,25 pies2 x 800 pies = 628,32 pies3 (17,79 metros3) por minuto a 1200 rpm. VENTILADOR CENTRÍFUGO 1. Define el uso del soplador. En este ejemplo, el ventilador centrífugo en un aire acondicionado de ventana circula a 600 CFM en el ajuste "LO" cuando el motor del ventilador está girando a 800 rpm. Puedes calcular la cantidad de aire que circulará en modo "HI", cuando el motor gira a 1200 rpm. 2. Se define los elementos en la fórmula general del ventilador centrífugo para resolver el mayor flujo de aire: CFM-1/CFM-2 = RPM-1/RPM-2 x (D1/D2)3 El (D1/D2)3 es 1, ya que el diámetro del impulsor no cambia, por lo que CFM-2=CFM-1 x (RPM 2/RPM1). 3. Sustituye tus parámetros en la ecuación para calcular el flujo de aire superior: CFM-2 = 600 CFM x 1200 rpm/800 rpm = 900 CFM. COMPRESORES DE EMBOLO 1. Define el uso del compresor. Un compresor de tienda con un pistón en un cilindro tiene un desplazamiento neto de 10 pulgadas3 (163,87 centímetros3). Por lo general resulta en 600 rpm. Puedes calcular la cantidad de pies cúbicos de aire que necesita en una presión atmosférica y los pies aproximados cúbicos de aire comprimido que suministra si tiene una relación de compresión 10.1 global. 2. Calcula el flujo volumétrico de aire entrante. Si el compresor recoge 10 pulgadas cúbicas (163,87 centímetros cúbicos) de aire por cada revolución, entonces el CFM de entrada = 600 RPM x 10 pulgadas cúbicas/1728 pulgadas cúbicas/pies cúbicos = 3,47 CFM. 3. Calcula la salida de aire comprimido del flujo volumétrico. Puesto que la relación de compresión es de 10-1, el aire comprimido se suministra a 3,47/10, o con un CFM de 0,347.
