1. Sistema de distribución del aire. Cálculo de conductos.
Objetivos: Que el alumno sea capaz de dimensionar una red de conductos. Se pretende que el
alumno pueda identificar los diferentes elementos que constituyen una red de conductos de aire
y dimensionar los principales elementos, ventilador y conductos. Para ello, se explicarán
diferentes métodos de diseño, sus ventajas e inconvenientes.
Contenido:
1. Redes de conductos. Elementos. Clasificación
2. Conceptos básicos de diseño de conductos
3. Métodos de diseño
4. Ventiladores. Selección del ventilador
Bibliografía: Manual de Aire Acondicionado. Carrier, 1996. Capítulo 2 y 6..
Thermal Environmental Engineering. Thomas H. Kuehn, James W. Ramsey,
James L. Threlkeld. Ed. Prentice Hall, 1998. Capítulo 18.
ASHRAE Handbook. Fundamentals. SI Edition. ASHRAE, 1997. Capítulo 32.
Cálculo de conductos de aire. A. Fontanals. Ed. CEAC, 1997.
Ventilación Industrial. E. Carnicer. Ed. Paraninfo, 1994. Capítulos 3 y 4.
Cálculos en climatización. Ejercicios Resueltas. E. Torrella, R. Cabello, J.
Navarro. Ed. AMV, 2002.
1. Redes de conductos. Elementos. Clasificación
La misión de un sistema de conductos es transportar el aire desde la unidad de tratamiento de
aire (UTA) hasta el recinto a climatizar y suele comprender los conductos de impulsión y los de
retorno. Dentro de los elementos que constituyen el sistema podemos distinguir los conductos y
los elementos terminales.
Estos sistemas se clasifican en función de la velocidad y de la presión en los conductos. En
función de la velocidad del aire tenemos:
- conductos de baja velocidad (<12 m/s, entre 6 y 12 m/s)
- y conductos de alta velocidad (>12 m/s)
En función de la presión del aire en el conducto, se clasifican en baja, media y alta presión. Esta
clasificación corresponde a la misma que utilizan los ventiladores:
- Baja presión (clase I): Hasta 90 mm.c.a.
- Media presión (clase II): Entre 90 y 180 mm.c.a.
- Alta presión (clase III): Entre 180 y 300 mm.c.a.
2. Conceptos básicos
La red de conductos se diseña para conseguir llevar un determinado caudal de aire a los puntos
de impulsión deseados. Antes de entrar en el diseño de la red de conductos, vamos a introducir
las propiedades físicas del aire, el concepto de diámetro equivalente y el cálculo de pérdidas de
carga.
2. 2.1. Propiedades físicas del aire
Obviamente las propiedades físicas del aire van a depender de la temperatura y de la presión.
En el diseño de conductos, las propiedades más utilizadas son la densidad y la viscosidad. La
densidad se puede aproximar como:
Patm
ρ=
287·T
siendo: Patm la presión atmosférica (Pa)
T la temperatura del aire (K)
ρ la densidad del aire (kg/m3)
aunque, puede tomarse como aproximación una densidad del aire constante de 1,2 kg/m3.
En cuanto a la viscosidad del aire, se puede obtener mediante la expresión:
0 , 76
T
µ = 1,724 ⋅ 10
−5
273,16
con µ (N·s/m2) y T (K).
El efecto de la presión en la determinación de las propiedades del aire sólo tiene efecto cuando
la instalación se ubica a mucha altura sobre el nivel del mar.
2.2. Diámetro equivalente
Los conductos utilizados en la distribución del aire pueden ser circulares o rectangulares.
Debido a que la mayoría de las tablas y expresiones se dan para conductos circulares, resulta
muy útil el concepto de diámetro equivalente.
Para determinar el diámetro equivalente de un conducto rectangular puede utilizarse la
expresión:
( H ·W ) 0,625
Deq = 1,3 ,
( H + W ) 0, 25
donde Deq es el diámetro equivalente, H la altura del conducto y W la anchura. De todas
formas, resulta de gran utilidad la tabla I (diámetros equivalentes de conductos).
2.3. Pérdidas de carga
Dentro del conducto el fluido experimenta una pérdida de presión por rozamiento,
denominándose ésta pérdida de carga. Estas pérdidas de carga se dividen en pérdidas en el
conducto y pérdidas en singularidades.
2.3.1. Pérdidas en conducto
Se produce una pérdida de carga por el paso del aire en el conducto, la cual suele expresarse
por metro de longitud como:
3. ∆P ρ (kg / m 3 ) c 2 (m / s)
( Pa / m) = f
L Deq (m) 2
siendo f el factor de fricción (adimensional) del material. Para conductos de chapa galvanizada,
esta expresión viene representado en el diagrama de la figura 1.
2.3.2. Pérdidas en singularidades
Habitualmente estas pérdidas se miden de forma experimental y se determinan por expresiones
del tipo:
c2
∆P = K ⋅ ρ ⋅ ,
2
siendo K el factor de forma de la singularidad. De cualquier forma en el anexo 1 se encuentran
las expresiones y las tablas para las singularidades más comunes en las redes de conductos
(codos, derivaciones, transformaciones, etc.).
2.4. Recuperación de presión estática
En una instalación de redes de conductos de aire, si avanzamos en el sentido del flujo, el caudal
disminuye en cada derivación. Un menor caudal exige una menor sección, por lo que los
conductos van estrechándose cada vez que aparece una derivación.
Esta disminución de caudal puede provocar en el tramo siguiente (principal) un cambio de
velocidad. Estableciéndose la siguiente relación entre la sección 1 y 2 de la figura 2.
c12 c2
P1 + ρ = P2 + ρ 2 .
2 2
Al mismo tiempo, se debe cumplir que V0 = V1 + V3, de modo que si la sección 2 tiene las
mismas dimensiones que la sección 0, la velocidad en 2 debe ser menor que en 0. Si tenemos
en cuenta que la velocidad en la sección 1 es la misma que en 0, tendremos entre las secciones
1 y 2 la siguiente variación de presión:
c12 − c 2
2
∆P = ρ
2
de donde se desprende que al ser P2>P1, se ha producido un aumento de la presión estático a
cambio de una disminución de la presión dinámica.
Debido a que sólo es posible recuperar un porcentaje de presión, entre el 50 y el 95%. A
efectos de cálculo supondremos una recuperación del 75% y así se tiene que la recuperación
estática en conductos tras una derivación se puede aproximar como:
c12 − c 2
2
∆PRE = 0,75 ρ
2
Así pues, las pérdidas totales se obtienen según la expresión:
4. ∆PTOTAL = ∑ ∆PCOND + ∑ ∆PSING − ∑ ∆PRE .
3. Métodos de diseño
Existen varios métodos que nos permiten diseñar las redes de conductos de aire. Entre ellos,
encontramos:
- Método de reducción de velocidad
- Método de pérdida de carga constante
- Método de recuperación estática
- Método T
Los más empleados suelen ser el método de pérdida de carga constante (para conductos de
impulsión baja velocidad, retorno y ventilación) y el método de recuperación estática (
principalmente en conductos de impulsión de baja y alta velocidad). El método de reducción de
velocidad no se suele utilizar porque para resolver el problema con una precisión razonable se
necesita mucha experiencia y conocer perfectamente el cálculo de conductos. El método T
permite una optimización del diseño que no permiten los otros métodos. Sin embargo, no es
tan común como los anteriores.
3.1. Método de pérdida de carga constante
Este método se utiliza en conductos de impulsión, retorno y extracción de aire. Consiste en
calcular los conductos de forma que tengan la misma pérdida de carga por unidad de longitud a
lo largo de todo el sistema.
APLICACIÓN FACTOR DE Conductos Conductos
CONTROL DE RUIDO principales derivados
(conductos Suministro Retorno Suministro Retorno
principales)
Residencias 3 5 4 3 3
Apartamentos
Dormitorios hotel 5 7,5 6,5 6 5
Dormitorios
hospital
Oficinas
particulares 6 10 7,5 8 6
Despachos
dirección
Bibliotecas
Salas cine/teatro 4 6,5 5,5 5 4
Auditorios
Oficinas públicas
Restaurantes 7,5 10 7,5 8 6
Comercios
Bancos
Comercios 9 10 7,5 8 6
Cafeterías
Locales 12,5 15 9 11 7,5
industriales
Tabla I. Velocidad aconsejables en conductos de aire por nivel de ruido.
5. El procedimiento más usual consiste en elegir una velocidad inicial, en función de la restricción
por nivel de ruido, tabla X, en el conducto principal que sigue a la impulsión desde la UTA. Una
vez elegida esta velocidad, y partiendo del caudal de aire total a suministrar, se determina la
pérdida de carga unitaria que debe mantenerse constante en todos los conductos.
Para dimensionar los conductos del tramo principal, se determina la pérdida de presión en las
distintas singularidades y las recuperaciones estáticas en las derivaciones. Finalmente con la
ayuda del gráfico se determinan las secciones de cada tramo y los presiones disponibles en
cada derivación a los tramos secundarios.
Una vez dimensionados los tramos principales, se determinarán los conductos secundarios, los
que conducen el aire hasta las bocas de impulsión. Estos tramos se pueden calcular igual que
los principales o bien imponer que el aire tenga presión relativa nula después de traspasar el
elemento terminal (difusor). En el primer caso, se actuaría como se ha explicado para los
tramos principales. En el segundo caso se debe seguir un esquema iterativo de cálculo hasta
conseguir la imposición de presión relativa nula a la salida.
3.2. Método de recuperación estática
Este método consiste en dimensionar el conducto de forma que el aumento de presión estática
en cada rama o boca de impulsión compense las pérdidas por rozamiento en la siguiente
sección del conducto. De esta forma, la presión estática en cada boca y al comienzo de cada
rama será la misma.
El procedimiento consiste en seleccionar una velocidad inicial para la descarga del ventilador y
dimensionar la primera sección como en el método anterior. Posteriormente, las demás
secciones se dimensionan con las gráficas de relación L/Q y recuperación estática a baja
velocidad (ver anexo).
4. Selección del ventilador
Para que el aire pueda circular por el interior de un conducto es preciso que en la instalación
haya un ventilador instalado. Éste debe ser capaz de proporcionar el caudal necesario y vencer
las pérdidas de presión asociadas.
Para la determinación de los requerimientos del ventilador es necesario conocer con exactitud
los caudales y las pérdidas de carga en la instalación. Así, se toma la mayor pérdida de carga
desde la salida de la UTA hasta el punto de impulsión crítico, siendo este valor el incremento de
presión que debe proporcionar el ventilador. Además, deberá ser capaz de trasegar el caudal
total de diseño.
6. s) m)
m/
(m o
etr
(
AD
m
Diá
ID
OCL
VE
Caudal de aire (l/s)
Pérdida de carga (Pa/m)
Diagrama – Pérdidas por rozamiento del aire en conductos circulares.
20. Orden de magnitud
Para una red de conductos donde las bocas impulsan sobre 500 m3/h se debe tener en torno a
3m/s de velocidad en la última sección y una presión en las bocas de impulsión ~ 3.8 mm.c.a.
= 0.4 Pa.
Ventiladores
Los ventiladores empleados en el campo del aire acondicionado son: radiales (o centrífugos),
los axiales y en algunos casos los diametrales.
Fig. Ventilador centrífugo. Fig. Ventilador axial
En los ventiladores radiales o centrífugos el movimiento del aire se realiza radialmente con
respecto al eje de rotación, mientras que en los ventiladores axiales (o helicoidales) el
movimiento se realiza paralelamente al eje del rodete. Estos últimos son aplicados
especialmente en los casos en los que necesitamos caudales de aire elevados con pequeñas
presiones.
Peléctrica = η · Q · ∆P
Donde el rendimiento total del ventilador oscila entre 0.3 y 0.5 en ventiladores centrífugos
pequeños, 0.5 y 0.7 en los de tamaño medio y entre 0.7 y 0.9 en los de grandes dimensiones.
Selección del ventilador
El punto de funcionamiento será la intersección de la característica del circuito (∆P=kQ2) y la
característica del ventilador (dado por el fabricante). Se puede variar el punto de
funcionamiento bien variando la característica del circuito (compuertas, etc.) o bien variando el
régimen de giro del ventilador.
Los criterios para seleccionar un ventilador son las dimensiones, el ruido, la facilidad de
mantenimiento y coste inicial. El ruido y el rendimiento están ligados entre sí, en el sentido de
que el mínimo nivel sonoro se corresponde con el rendimiento máximo.
∆P (mm.c.a.) Velocidad (m/s) Velocidad (m/s)
Centrífugo Axial
6 2-2.5 4.5-7.5
12 2.5-7.5 6.5-9.5
18 3.5-8.5 8.5-11.5
25 4-10 9.5-13.5
37 4-12.5 -
21. Zona óptima de utilización de los ventiladores.
Es aconsejable seleccionar el ventilador dentro de la zona indicada en las aplicaciones en el que
el ruido presente un inconveniente, como son las instalaciones de climatización.
