Conceptos básicos de cálculo de ductos de ventilación
Los ductos de ventilación utilizados en sistemas de tipo residencial, comercial e industrial, están diseñados para conducir el aire de inyección o extracción en dichas aplicaciones. En su cálculo y diseño se ha de cuidar tanto que se garantice la adecuada aportación de caudal, como otros criterios no menos importantes (minimizar el consumo eléctrico en los motores de los ventiladores o reducir al máximo el ruido producido por los motores, donde esté podría ocasionar molestia a los usuarios).
Los métodos de cálculos de ductos son varios y se diferencian fundamentalmente en los supuestos que utilizan y en si se pueden considerar métodos exactos o aproximados. A medida que un método de cálculo de ductos es más exacto, aumenta la dificultad de cálculo y aplicación, pero se tiene una gran certeza de un buen funcionamiento.
Las redes de ductos de aire se pueden clasificar fundamentalmente en función de la presión y de la velocidad de los ductos. En función de la velocidad del aire existen los siguientes tipos:
- Ductos de baja velocidad (<12 m/s, entre 6 y 12 m/s).
- Ductos de alta velocidad (>12 m/s).
Para diseñar un ducto hay que tener en cuenta tres fundamentos básicos que influyen en el diseño y un óptimo desempeño. La red de ductos debe de diseñarse de modo que se consiga llevar un caudal de aire determinado a todos los puntos de inyección o extracción donde se requiera.
Los tres conceptos fundamentales que influyen en este aspecto son:
- Propiedades del aire: dependen de la temperatura y de la presión y las propiedades básicas que se utilizan en el diseño de un ducto son la viscosidad y la densidad del fluido a mover por los ductos (nuestro caso aire).
- Diámetro equivalente del ducto: los ductos utilizados pueden tener diferentes secciones, siendo lo más habitual que sean rectangulares o circulares, pero la elección de dicha sección ya depende exclusivamente del diseñador y de las condiciones en que se va a operar e instalar los ductos. La mayoría de los métodos de cálculo se basan en ductos circulares ya que esta es la forma geométrica dónde flujo de aire tiene una mayor eficiencia.
- Pérdidas de carga: En el ducto, el fluido experimenta una pérdida de presión por rozamiento (fricción), también llamada pérdida de carga. Estas pérdidas de carga se dividen en pérdidas en el ducto y pérdidas en singularidades, cómo por ejemplo codos, cambios de sección o accesorios.
Métodos de cálculo más habituales
Los métodos de cálculo más habituales para diseño de ductos de ventilación son los siguientes:
- Método de reducción de velocidad.
- Método de pérdida de carga constante.
- Método de recuperación estática.
- Método de velocidad constante.
Los más empleados son el método de pérdida de carga constante y el método de recuperación estática.
El método de pérdida de carga constante se utiliza en ductos de inyección, retorno y extracción de aire. Consiste en calcular los ductos de forma que tengan la misma pérdida de carga por unidad de longitud a los largo del todo el sistema.
El procedimiento habitual es elegir una velocidad inicial en función de la restricción por el nivel de ruido según el uso (residencial, comercial, industrial). Para determinar esta velocidad inicial se toma como punto el cálculo del ducto principal, que sigue en la inyección desde la toma de aire exterior o la unidad de tratamiento de aire. A partir de esta velocidad y partiendo del caudal de aire total que debe suministrarse, se calcula la pérdida de carga unitaria que debe mantenerse constante en todos los ductos.
El método de recuperación estática consiste en dimensionar el ducto de forma que el aumento de presión estática en cada rama o boca de inyección compense las pérdidas por rozamiento en la siguiente sección del ducto. Así logramos que la presión estática en cada boca y al comienzo de cada rama sea la misma.
Para ello, se selecciona una velocidad inicial para la descarga del ventilador y se dimensiona la primera sección como en el método de pérdida de carga constante. Después las demás secciones se dimensionan con las gráficas de relación L/Q. Estas gráficas de dimensionado son en función de la forma del ducto y el caudal. También se pueden usar tablas de recuperación estática a baja velocidad.
Cómo criterio general, el método de pérdida de carga constante se usa para ductos de inyección baja velocidad, retorno y ventilación.
El método de recuperación estática principalmente en ductos de inyección de baja y alta velocidad.
Fuentes:
Carrier Air Systems Design Manual (Capítulo 2)
Engineering Cookbook
