Por qué importa la forma del conducto
Dimensionamiento del conducto: área, perímetro y fricción
Cada conducto HVAC es un tubo que transporta aire acondicionado desde el manipulador de aire hasta las habitaciones que sirve. La capacidad de flujo de aire de un conducto depende de una cosa: área de sección transversal.
CFM = Área x Velocidad: esa es la ecuación fundamental. CFM son pies cúbicos por minuto. El área es la sección transversal del conducto en pies cuadrados. La velocidad es la rapidez del aire en pies por minuto.
Pero el área no es toda la historia. El perímetro del conducto determina cuánta superficie el aire roza. Más perímetro significa más fricción, lo que significa más caída de presión, lo que significa que el soplante tiene que trabajar más duro.
Un conducto redondo de 12 pulgadas tiene un área de sección transversal de pi x 6² = 113,1 pulgadas cuadradas. Su perímetro es pi x 12 = 37,7 pulgadas.
Un conducto rectangular de 14" x 8" tiene un área de 14 x 8 = 112 pulgadas cuadradas: casi idéntico. Pero su perímetro es 2(14 + 8) = 44 pulgadas: 17% más superficie de fricción para la misma capacidad de flujo de aire.
Esto explica por qué los conductos redondos son más eficientes. El círculo tiene la relación más baja de perímetro a área de cualquier forma. En términos HVAC: los conductos redondos producen menos pérdida de fricción por CFM entregado.
Cálculo del área del conducto
Un sistema HVAC residencial necesita entregar 400 CFM a una habitación. La velocidad de diseño es de 600 pies por minuto.
Alcance, dispersión y el efecto Coanda
Cómo se mueve el aire a través de una habitación
Una vez que el aire acondicionado sale del conducto, entra en la habitación a través de un registro o difusor. La geometría de cómo se mueve ese aire determina si la habitación es cómoda o tiene puntos calientes y fríos.
Alcance es la distancia que el aire viaja desde el difusor antes de que su velocidad caiga por debajo de 50 FPM (pies por minuto). Un difusor de techo en una habitación de 20 pies necesita suficiente alcance para llegar a la pared lejana.
Dispersión es el ancho del patrón de aire. Un difusor de ranura lineal crea un patrón plano y amplio. Un difusor de techo redondo crea un patrón radial.
Los registros de suministro crean patrones de aire cónicos o en forma de abanico: el aire se empuja hacia afuera en una forma geométrica definida.
Los registros de retorno crean zonas de succión esféricas: el aire se extrae desde todas las direcciones por igual. Por eso los registros de retorno se pueden colocar casi en cualquier lugar de una habitación.
El efecto Coanda: El aire en movimiento tiende a seguir las superficies cercanas. El aire soplado a través de un techo se aferrará a él, viajando mucho más lejos que el aire soplado en un espacio abierto. Por eso los difusores montados en el techo funcionan tan bien: el aire se pega al techo, viaja a través de la habitación, luego cae por la pared lejana. La geometría del techo se convierte en parte del sistema de distribución de aire.
Entender la distribución del aire
Una sala de conferencias tiene 30 pies de largo con un difusor montado en el techo en un extremo. El aire de suministro sale del difusor a 700 FPM.
Aletas, tubos y área de superficie
La transferencia de calor es un problema de área de superficie
La bobina del evaporador en un acondicionador de aire o bomba de calor es donde la transferencia de calor realmente ocurre entre el aire y el refrigerante. La velocidad de transferencia de calor depende de tres cosas: la diferencia de temperatura, la conductividad térmica del material y el área de superficie.
No puedes cambiar fácilmente la diferencia de temperatura (eso está fijado por el ciclo del refrigerante) o la conductividad (el cobre y el aluminio ya son conductores excelentes). Así que los ingenieros HVAC maximizan el área de superficie.
Una bobina del evaporador está hecha de tubos de cobre con aletas de aluminio delgadas presionadas sobre ellos. Las aletas son láminas delgadas: típicamente 0,006 pulgadas de grosor: espaciadas a 8 a 20 aletas por pulgada.
Más aletas por pulgada = más área de superficie = más transferencia de calor. Pero hay una compensación geométrica: más aletas también significa pasajes de aire más estrechos entre ellas, lo que aumenta la resistencia del aire y reduce el flujo de aire.
A 8 aletas por pulgada, el flujo de aire es fácil pero el área de superficie es limitada. A 20 aletas por pulgada, el área de superficie es enorme pero la bobina sofoca el flujo de aire. La mayoría de los sistemas residenciales usan 12-14 aletas por pulgada como el punto ideal.
Este es un problema geométrico puro: ¿cómo empacar el área de superficie máxima en un volumen dado mientras se mantiene suficiente sección transversal abierta para que el aire pase?
Compensación de área de superficie
Una bobina del evaporador residencial tiene aletas espaciadas a 14 aletas por pulgada. Cada aleta es 0,006 pulgadas de grosor. La cara de la bobina es 20 pulgadas de ancho y 18 pulgadas de alto.
Propiedades del aire como geometría
El gráfico psicrométrico: un mapa geométrico del aire
El gráfico psicrométrico es una de las herramientas más importantes en HVAC. Se ve complicado, pero realmente es solo una representación geométrica de las propiedades del aire.
Eje X: Temperatura de bulbo seco: lo que lee un termómetro normal.
Eje Y (lado derecho): Razón de humedad: la masa real de vapor de agua por masa de aire seco (granos de humedad por libra de aire seco).
Líneas curvas: Humedad relativa. La curva de 100% RH es la línea de saturación: el aire no puede retener más humedad más allá de esta curva. Las curvas de RH más bajas se arquean por debajo.
Cada punto en el gráfico representa un estado único del aire. Si conoces dos propiedades (temperatura de bulbo seco, temperatura de bulbo húmedo, humedad relativa, punto de rocío, entalpía), puedes ubicar el punto exacto y leer todas las otras propiedades.
Los procesos HVAC son caminos geométricos en este gráfico:
- Calentamiento sensible (horno): Muévete hacia la derecha a lo largo de una línea horizontal: la temperatura aumenta, la razón de humedad permanece constante.
- Enfriamiento sensible (por encima del punto de rocío): Muévete hacia la izquierda a lo largo de una línea horizontal.
- Enfriamiento y deshumidificación (A/C típico): Muévete hacia la izquierda y hacia abajo: la temperatura cae y la humedad se condensa.
- Humidificación: Muévete hacia arriba: añadiendo humedad a temperatura constante.
- Enfriamiento evaporativo (enfriador evaporativo): Muévete hacia la izquierda y hacia arriba a lo largo de una línea de bulbo húmedo constante: la temperatura cae pero la humedad aumenta.
Trazando procesos HVAC
Considera un día de verano: el aire exterior es de 95 grados F de bulbo seco, 50% de humedad relativa. Quieres acondicionar este aire a 75 grados F, 50% de humedad relativa para comodidad interior.