La industria del movimiento de aire utiliza un término común para describir ciertas condiciones de entrada y salida que afectan negativamente el desempeño de un ventilador. El término utilizado es “efecto de sistema”. Quizás el término debería ser “efecto de instalación del ventilador” porque el efecto de sistema resulta de la diferencia entre cómo fue probado el ventilador, comparado con cómo está instalado. Para minimizar los efectos de sistema, el aire debe entrar o salir del ventilador de manera uniforme.
Primero, veamos cómo se prueban y catalogan los ventiladores. La mayoría de los ventiladores disponibles en el mercado hoy en día cuentan con los sellos de certificación de Air Movement and Control Association International, Inc. (AMCA). Esto significa que el fabricante del ventilador siguió los procedimientos de prueba descritos en la Publicación 210 de AMCA y probó el ventilador en una de las configuraciones estandarizadas aprobadas por AMCA. Uno de los requisitos de AMCA es que, justo debajo del desempeño catalogado para un modelo de ventilador dado, el fabricante debe incluir una declaración indicando cómo se probó ese producto. Prestar atención a estas declaraciones es el primer paso para evitar problemas de efecto de sistema.
Las declaraciones típicas para tres tipos diferentes de productos son:
Ventiladores de extracción en techo: El desempeño se muestra para Instalación Tipo A: entrada libre, salida libre. La potencia (BHP) no incluye pérdidas de transmisión. Las clasificaciones de desempeño no incluyen los efectos de accesorios en la corriente de aire.
Ventiladores axiales tipo tubo: El desempeño se muestra para Instalación Tipo B: entrada libre, salida con ducto. La potencia (BHP) no incluye pérdidas de transmisión. Las clasificaciones de desempeño no incluyen los efectos de accesorios en la corriente de aire.
Ventiladores centrífugos: El desempeño se muestra para Instalación Tipo B: entrada libre, salida con ducto. La potencia (BHP) no incluye pérdidas de transmisión. Las clasificaciones de desempeño no incluyen los efectos de accesorios en la corriente de aire.
Es importante entender que los fabricantes de ventiladores solo garantizan que el ventilador funcionará como fue probado. Los siguientes ejemplos mostrarán las condiciones de prueba del fabricante comparadas con instalaciones con obstrucciones, como codos, rejillas o compuertas, directamente en la entrada o salida del ventilador. Estas obstrucciones causan pérdidas adicionales que no están incluidas en la prueba del fabricante y, en muchos casos, no están incluidas en los cálculos habituales de resistencia del sistema por parte de los diseñadores. La mayoría de los diseñadores están bien capacitados para determinar la resistencia que ocurre en los ductos del sistema, como filtros, compuertas y codos ubicados a cierta distancia del ventilador, pero las obstrucciones cercanas al ventilador pueden pasarse por alto. La interacción del aire y las obstrucciones justo antes y después del ventilador causa pérdidas adicionales conocidas como efectos de sistema. Las siguientes figuras ilustran cómo se prueban los ventiladores en comparación con cómo a veces se instalan.
Ventiladores de extracción en techo
La figura 1 ilustra cómo se prueban los extractores de techo. Un ducto recto vertical adicional tendría poco o ningún efecto de sistema. Las figuras 2 y 3 ilustran instalaciones de ventiladores de extracción en techo que presentan efectos de sistema. La figura 3 ilustra el peor caso porque la compuerta está ubicada en una corriente de aire turbulenta. Para mejorar las instalaciones donde se utilizan ductos horizontales directamente debajo de la línea del techo, se deben instalar álabes guía en los codos. Además, se debe utilizar un curb más alto o una base extendida. Los curbs más altos resultan en que el codo de entrada esté más alejado de la compuerta y de la entrada del ventilador.
Ventiladores axiales tipo tubo
La Figura 4 ilustra cómo se prueban los ventiladores axiales tipo tubo, centrífugos tipo tubo y de flujo mixto. Las ilustraciones con ductos de entrada rectos y campanas de entrada resultarían en un desempeño similar. Sin un ducto de descarga, ocurrirá un efecto de sistema. (Ver Figura 12 más adelante para la descarga recomendada). Las instalaciones en línea están sujetas a efecto de sistema tanto en la entrada como en la salida del ventilador, como se muestra en las Figuras 5 y 6. La Figura 5 ilustra una mala condición de entrada con un codo directamente en la entrada del ventilador. La Figura 6 ilustra una mala condición de salida donde el ventilador descarga demasiado cerca de una pared. Los ventiladores en línea requieren la longitud adecuada de ducto de descarga para lograr el desempeño catalogado. (Consulte la Figura 12).
Ventiladores centrífugos
La Figura 7 ilustra cómo se prueban los ventiladores centrífugos tipo gabinete. Las instalaciones de ventiladores centrífugos están sujetas a mayores posibilidades de efecto de sistema debido a las posibilidades de entradas y salidas con ducto, además de múltiples arreglos disponibles, posiciones de descarga y rotaciones CW o CCW. La Figura 8a ilustra una mala instalación con un codo directamente en la descarga del ventilador. Este tipo de instalación puede evitarse seleccionando un ventilador con la rotación y posición de descarga correctas como se muestra en la Figura 8b.
La Figura 9 ilustra otra mala instalación con una descarga abrupta hacia un plenum. Se produce un efecto de sistema si no está presente una longitud determinada de ducto de descarga. (Ver Figura 12 para el ducto de descarga recomendado). Tanto la Figura 10 como la Figura 11 ilustran instalaciones con condiciones de entrada inadecuadas. La Figura 10 podría mejorarse con al menos un diámetro del rodete del ventilador de ducto recto entre el ventilador y el codo. La instalación como se muestra en la Figura 11 debe evitarse si es posible porque el efecto del giro del flujo en la entrada es difícil de definir y corregir.
Las ilustraciones anteriores muestran solo algunas de las muchas posibilidades de instalación que pueden causar efecto de sistema. Recuerde que diferentes tipos de ventiladores están sujetos a diferentes consideraciones según cómo fueron probados. La Publicación 210 de AMCA muestra cuatro tipos básicos de instalación. Sin embargo, al combinar todos los tipos de ventiladores, arreglos y elecciones del fabricante sobre cómo probarlos, las posibilidades de instalación son demasiado numerosas para cubrirse en este artículo.
¿Qué tipo de ventiladores se ven afectados por qué condición y qué condición presenta los problemas más comunes?
- Los ventiladores de extracción en techo se ven afectados por las condiciones de entrada.
- Los ventiladores de suministro en techo se ven afectados por las condiciones de salida.
- Los tipos de ventiladores típicamente afectados tanto por condiciones de entrada como de salida son los ventiladores en línea (axiales, centrífugos y de flujo mixto) y los ventiladores centrífugos de una sola entrada tipo gabinete.
Las instalaciones de ventiladores con efecto de sistema deben evitarse si es posible. Sin embargo, en muchos casos, las limitaciones de espacio u otros factores impiden que los diseñadores consideren condiciones ideales.
Las siguientes condiciones (enumeradas por entrada y salida) cubren las causas más comunes de efecto de sistema.
Causas del efecto de sistema — condiciones de entrada:
- Codos demasiado cerca de la entrada del ventilador
- Transiciones abruptas de ducto
- Giro del flujo en la entrada debido al diseño del ducto
- Compuertas no completamente abiertas
- Ubicación de compuertas
- Rejillas mal diseñadas
- Entrada demasiado cerca de paredes o mamparas
- Cajas de entrada
Causas del efecto de sistema — condiciones de salida:
- Codos demasiado cerca de la salida del ventilador
- Transiciones abruptas
- Descarga libre
- Ubicación de compuertas
- Capuchas contra intemperie
- Rejillas de descarga
- Descarga demasiado cerca de la pared o mampara
Cómo evitar problemas en la instalación de ventiladores
Las siguientes recomendaciones ayudarán a evitar problemas de instalación:
- Entender cómo fue probado el ventilador seleccionado. (Consulte las declaraciones del catálogo bajo las tablas de desempeño o curvas del ventilador).
- Para ventiladores montados en techo donde el ducto debe correr horizontalmente directamente bajo el techo, instale álabes guía en el codo y considere el uso de curbs más altos o bases extendidas. Esta altura adicional incrementará la distancia entre los codos y las compuertas en relación con la entrada del ventilador.
- Considere diferentes tipos de ventiladores. Por ejemplo, si el ducto debe girar 90°, un ventilador centrífugo de una sola entrada instalado en el giro puede ser una mejor opción que un ventilador en línea con un codo abrupto.
- Seleccione ventiladores centrífugos con la rotación adecuada y la mejor posición de descarga para la aplicación.
- Si se requiere un codo en la entrada del ventilador debido a limitaciones de espacio, utilice una caja de entrada con pérdida predicha en lugar del codo.
- Evite descargas libres para ventiladores en línea y centrífugos. Agregue la longitud de ducto necesaria para obtener un perfil de velocidad uniforme y minimizar pérdidas (ver Figura 12).
Es comprensible que en muchos casos una instalación termine teniendo una obstrucción en la entrada o salida (o ambas), causando efecto de sistema. Si estas situaciones no pueden evitarse en la etapa de diseño, el efecto de sistema debe estimarse y añadirse a la resistencia calculada del sistema. Tenga en cuenta que los procedimientos estándar para el diseño de sistemas de ductos se basan en la suposición de perfiles de flujo uniforme. El estándar incluye pérdidas por codos, pero no considera la pérdida cuando el codo está cerca del ventilador. AMCA ha reconocido este problema y ha publicado lineamientos sobre cómo compensar los efectos de sistema en su Publicación 201 “Fans and Systems”. Los diseñadores que comprenden completamente el efecto de sistema y diseñan para evitarlo, también deben dar seguimiento a los instaladores para asegurar que la instalación se realice conforme al diseño.
¿Cuáles son las penalizaciones del efecto de sistema? Incluso cuando se reconocen las causas del efecto de sistema y se compensan sus pérdidas, existen penalizaciones. La penalización comienza con ventiladores seleccionados a mayores velocidades para compensar pérdidas adicionales. Mayores velocidades resultan en motores más grandes, mayor costo, menor eficiencia, mayor vibración y efectos acústicos (ruido). Los efectos acústicos suelen pasarse por alto aunque la penalización acústica por efecto de sistema puede ser considerable. La severidad depende de qué tan inadecuada sea la conexión entre el ventilador y el sistema. En cualquier caso, no se puede esperar que los niveles de sonido del ventilador sean los mismos que los catalogados si existe efecto de sistema.
La solución de problemas en instalaciones existentes cuando el sistema presenta falta de flujo de aire y presión debido a efectos de sistema no considerados o malas prácticas de instalación puede ser bastante desafiante. En la mayoría de estos casos, es muy difícil tomar mediciones precisas debido a la obstrucción y la turbulencia en la entrada y salida del ventilador.
Al solucionar problemas, se debe determinar si es un problema del sistema debido al diseño y/o instalación. ¿Está el ventilador instalado exactamente como fue probado? En la mayoría de los casos, una inspección visual de la instalación llevará a una respuesta clara. Para resolver problemas de desempeño deficiente en sistemas de ventiladores, es útil tener una comprensión clara de las curvas del ventilador y del sistema, así como conocimiento de cómo aplicar las leyes del ventilador (ver Figura 13).
La Figura 14 utiliza curvas de ventilador y sistema para ilustrar el punto de diseño original, la lectura de desempeño deficiente y la nueva curva de sistema con efecto de sistema.
- El punto 1 ilustra el punto de diseño original.
- El punto 2 es el caudal de diseño en la curva de sistema corregida.
- El punto 3 es donde el caudal deficiente se ubica en la curva original del sistema.
- El punto 4 es donde el caudal deficiente se ubica en la curva de sistema corregida.
(Todo lo anterior asume que la densidad del aire y la velocidad del ventilador son las diseñadas).
Para explicar más a fondo, consideremos un ejemplo donde el sistema entrega 20% menos aire que el diseño (Punto 1). El caudal deficiente es el punto 3 como se muestra en la curva original del sistema. El cálculo original no incluyó el efecto de sistema. La diferencia entre el punto 3 y el punto 4 ilustra el efecto de sistema al caudal real. La diferencia entre el punto 1 y el punto 2 ilustra el efecto de sistema al caudal deseado. Debido a que el efecto de sistema está relacionado con la velocidad, la diferencia entre los puntos 1 y 2 es mayor que la diferencia entre los puntos 3 y 4.
Los puntos 2 y 4 caen sobre una nueva curva de sistema. Para que el ventilador existente produzca el caudal de diseño (punto 2) en la nueva curva, la velocidad del ventilador debe incrementarse.
Aquí es donde entran en juego las leyes del ventilador. Si se requiere 20% más aire, la velocidad del ventilador deberá incrementarse en 20%. La presión estática resultante será 44% mayor y la potencia (BHP) será 73% mayor que los valores originales.
Se desarrolla una nueva curva del ventilador como se muestra en la Figura 14. El problema puede no terminar aquí. Pueden requerirse nuevas transmisiones y un motor más grande. Con suerte, el ventilador original podrá soportar estas nuevas condiciones. En algunos casos, no es posible utilizar el ventilador existente a menos que la instalación pueda modificarse para eliminar o reducir las causas del efecto de sistema.
Resumen:
En resumen, aquí hay algunos puntos a considerar:
- En la etapa de diseño, no intente ahorrar unos cuantos pesos por metro cuadrado sacrificando una instalación adecuada del ventilador. El costo de una mala instalación puede ser mucho mayor.
- Diseñe cuidadosamente el sistema para que funcione como se pretende. El personal encargado de la instalación e inspección también debe estar familiarizado con las causas del efecto de sistema.
- Al corregir instalaciones con efecto de sistema, modificar el ducto no debe ser la última consideración. Recuerde que las penalizaciones del efecto de sistema (consumo de energía, costo de operación, ruido) permanecerán durante toda la vida del proyecto.
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Texto original: Greenheck
Por: Tyler Mancl, P.E.