Cálculo y Selección de Actuadores para Compuertas de Aire

Cuando hablamos de innovaciones tecnológicas, es inevitable incursionar en una de las áreas que ha sufrido un mayor desarrollo en los últimos 20 años, nos referimos a la industria de la calefacción, ventilación y aire acondicionado, concepto conocido mundialmente por sus siglas en inglés como HVAC.

BELIMO DE MEXICO

Cuando hablamos de innovaciones tecnológicas, es inevitable incursionar en una de las áreas que ha sufrido un mayor desarrollo en los últimos 20 años, nos referimos a la industria de la calefacción, ventilación y aire acondicionado, concepto conocido mundialmente por sus siglas en inglés como HVAC.

El constante adelanto en las tecnologías del sector HVAC ha permitido el desarrollo de grandes proyectos en inmuebles altamente automatizados, así como también de los edificios inteligentes. Ejemplos de estas aplicaciones las encontramos en conocidos edificios como el Empire State de Nueva York; el museo de Louvre de París, o la Torre Mayor de la Ciudad de México.

Debido a la integración de los avances tecnológicos, los actuadores para compuerta, así como las válvulas de control, se han convertido en componentes fundamentales del sistema de control para los modernos equipos HVAC, por lo que podemos decir que un sistema HVAC está compuesto de tres partes, de las cuales si una no es bien seleccionada o dimensionada, el sistema no operará correctamente:
1) Equipo mecánico.
2) Válvulas de control y actuadores de compuerta.
3) Sistema de control.

Actuadores electrónicos
Hasta finales de los años 50´s, los sistemas de control y los actuadores eran neumáticos, época en la cual comenzaron a incursionar los primeros sistemas electrónicos. En el año de 1975, el control electrónico empezó a jugar un papel muy importante. En Europa, alrededor del 50% de los sistemas eran electrónicos, mientras que en América, su número solo llegaba al 2%. A la fecha 95% de los sistemas son electrónicos.

Hasta este mismo año de 1975, los actuadores tanto neumáticos como electrónicos eran de acoplamiento indirecto por medio de varillaje, lo que producía histéresis, creada por el juego mecánico entre el varillaje y la manivela de la compuerta. En este año fue desarrollado el primer actuador de acoplamiento directo, brindando mayor precisión en la manipulación de las compuertas, reduciendo los costos de instalación y mantenimiento. Aplicaciones

Las aplicaciones más comunes de los actuadores son:
• Cajas de Volumen de Aire Variable (VAV).
• Compuertas de Aire Exterior.
• Cajas de Mezcla.
• Compuertas de Aire de Retorno.
• Compuertas de Bypass.
• Compuertas contra Fuego y/o Humo.
• Sistemas economizadores.
• Compuertas de Mezcla Multizonas.

Para obtener un correcto funcionamiento y buen desempeño de las compuertas antes mencionadas, es imprescindible que sean dimensionados y seleccionados los actuadores que manipularán a las compuertas, a lo que tradicionalmente se le pone poca atención.

Un ejemplo muy claro de la importancia de la selección de los actuadores para compuerta es la parte del economizador en una unidad manejadora de aire, el cual no es el único responsable de reducir los costos de operación del sistema, ya que lo más importante es que éste tiene que proveer la suficiente cantidad de aire exterior todo el tiempo para asegurar la buena calidad de aire interior. La función del economizador también tiene efecto sobre la presurización del edificio. Para prevenir la infiltración de aire exterior no acondicionado se requiere de una pequeña presión positiva. De otro modo, el clima interior puede verse considerablemente afectado, siendo compensado por un incremento en la temperatura del cuarto, lo cual incrementa los costos de operación.

Por otra parte, una muy alta presión causa filtración, lo cual incrementa las pérdidas de calor.

Economizador

La selección de los actuadores que operan a las compuertas está basada generalmente en un criterio, y este criterio es que sea seleccionado para proveer el suficiente torque para operar las compuertas. La precisión del control es raramente considerada. Sin un posicionamiento adecuado de la compuerta, el economizador no operará correctamente, y la calidad del aire interior y el confort se verán afectados.Torque

El torque que es requerido para operar a una compuerta depende del tamaño, tipo, cualidad y condición de ésta, así como también de la presión diferencial y el flujo de aire. Contrario a lo que se cree, el máximo torque requerido no es siempre en la posición cerrada. Típicamente, el máximo torque requerido es encontrado a 30% de la posición abierta.

Selección
Las siguientes 10 preguntas es el método más recomendado para seleccionar el actuador que controlará a la compuerta.

1. ¿Cuál es el área total de la compuerta?
Este dato deberá ser calculado en pies cuadrados. Lo más común es que nos den el diámetro de la compuerta si es redonda o las dimensiones de largo y ancho si es rectangular en pulgadas, por lo que habrá que convertirla a pies.

En el caso de una compuerta redonda, por ejemplo de 12”, calcularemos el área mediante la conocida fórmula:

A = π x D2/4
A = 3.1416 x (12)2/4 = 113.10 in2

Sabemos que 1 pie (Ft) es igual a 12 pulgadas (in), por lo tanto, 1 Ft2 = 144 in2.

Por lo que para convertir el área de la compuerta que está dada en in2 a ft2 dividiremos el área entre 144:

A = 113.10 in2 / (144 in2/Ft2) = 0.7854 Ft2
Para una compuerta rectangular, por ejemplo 36” x 24”, el área será:
A = L x H = 36” x 24” = 864 in2
A = 864 in2 / (144 in2/Ft2) = 6 Ft2

2. ¿Cuál es el tipo de compuerta?

En las instalaciones HVAC existen dos tipos de compuertas rectangulares que son usadas para modular el flujo de aire. Estas son las compuertas de aspas paralelas y las compuertas de aspas opuestas.

Las compuertas de aspas paralelas son construidas de tal forma que todas las aspas se mueven en la misma dirección y en paralelo. Las compuertas de aspas opuestas son construidas de tal forma que cada aspa en conjunto con la próxima se mueve en dirección opuesta.

Los dos tipos de compuertas tienen diferente “curva característica inherente de flujo”. Esta puede ser ilustrada por una curva que muestra la relación entre el rango de flujo y la posición de las aspas. En la siguiente figura se puede observar la característica de flujo inherente para compuertas de aspas opuestas y paralelas. Se puede observar que ni siquiera la compuerta tiene una característica lineal.

Las compuertas de aspas opuestas proporcionan un muy lento incremento cuando la compuerta comienza a abrir. Las compuertas de aspas paralelas cuentan con una curva inherente que no es tan pronunciada, así que el flujo se incrementa más rápidamente cuando la compuerta se comienza a abrir.

Es muy importante tener en mente que las curvas inherentes son medidas bajo condiciones de laboratorio, con una presión diferencial constante a través de la compuerta.

Cuando la compuerta es instalada en el sistema, ésta no es el único dispositivo que afecta el flujo. Otras partes del sistema, como los dúctos, los filtros, los serpentines, etcétera, obstruirán el flujo del aire y el resultado será que la compuerta no lo controlará de acuerdo a la característica inherente de flujo.
Cuando la compuerta es cerrada, toda la presión diferencial caerá a través de ella. Pero cuando ésta es abierta, la caída de presión a través de todos los componentes del sistema será mayor, dejando una pequeña caída de presión a través de la compuerta. Esto distorsiona la curva característica de flujo.

Una compuerta que es seleccionada de tal modo que, presenta una pequeña resistencia cuando está totalmente abierta en comparación a la resistencia total del sistema, tendrá una influencia pequeña (autoridad) cuando ésta opere cerca de la posición totalmente abierta

La resistencia de la compuerta totalmente abierta puede ser expresada como un porcentaje de la resistencia total del sistema y es llamada “Autoridad de la compuerta”.

Autoridad de la Compuerta (%) = ΔP (Compuerta Abierta) X 100
ΔP (Sistema total)

Las siguientes curvas muestran la distorsión de ellas en diferentes valores de autoridad al ser instaladas las compuertas dentro del sistema.

3. ¿Cuentan con juntas los bordes y las aspas de la compuerta?
Las juntas en los bordes y en las aspas de la compuerta provocarán mayor resistencia y por lo tanto mayor torque.

4. Para la compuerta en cuestión, ¿Cuál es el rango que especifica de torque el fabricante?
Si esta información es proporcionada, deberá obtenerse en in-lb/Ft2 y multiplicarse por el área de la compuerta para obtener el torque requerido. De no ser así, se deberá continuar con este procedimiento.

5. ¿Cuál es la velocidad del aire, presión estática o flujo de diseño?
Con cualquiera de estos parámetros podremos determinar el flujo de aire para poder aplicar la siguiente tabla. Para sistemas mayores a 1000 pies por minuto (FPM), se requerirá torque adicional.

Con estas cinco primeras preguntas y con ayuda de la tabla anexa se podrá ahora calcular el torque requerido aplicando la siguiente fórmula:
Torque (in-lb) = A (Ft2) x F.C. (in.lb/Ft2)

Torque (in-lb) = A (Ft2) x F.C. (in.lb/Ft2)

A = Área de la compuerta
F.C. = Factor de Carga de la Compuerta

Ejemplo:
1) Compuerta de 36” X 24” = 6 Ft2
2) Aspas paralelas
3) Con juntas en los bordes
4) No se cuenta con información del fabricante
5) Velocidad del aire = 1350 FPM
De acuerdo a la tabla anexa y a la fórmula:
Torque = 6 Ft2 x 10.5 (in.lb/Ft2) = 63 in/lb

Este es el torque mínimo requerido para controlar esta compuerta. El siguiente paso será continuar con las siguientes cinco preguntas para determinar las características del actuador.

6. ¿Se requiere con actuador a prueba de fallas (con resorte de retorno)?
De acuerdo a la aplicación se determinará si el actuador es o no con resorte de retorno; si es una compuerta contra humo o fuego es indispensable que si sea con resorte de retorno. Si la aplicación es una compuerta de zona entonces el actuador deberá ser sin resorte de retorno.

Si el actuador va a ser expuesto al aire exterior es recomendable que sea con resorte de retorno.

7. ¿Cuál es el voltaje de alimentación requerido?
Las opciones son 24VAC/VDC, 120 VAC o 230 VAC. Si el actuador va a ser instalado en una compuerta contra incendio, entonces podría ser on/off y con resorte de retorno, y lo más probable es que sea a 120 ó 230 VAC, conectado a una alimentación de línea, pero cabe la posibilidad de que interactúe con un sistema de detección de incendios y deba operar a 24 VAC.

En los modelos que son modulantes y de punto flotante, las únicas opciones son a 24VAC ya que por lo general hay un termostato o un sistema de control que emplea bajo voltaje y se cuenta con un transformador.

8. ¿Cuál es la señal de control?
Las señales de control más comunes y que son estándares en la industria son: on/off, punto flotante (o de tres estados), Modulante (2-10VDC, 0-10 VDC, 4-20 mA) o de Modulación por Ancho de Pulso (PWM).

9. ¿Se puede acoplar directamente a la compuerta?
El acoplamiento directo se ha convertido en un estándar en la industria, sin embargo, algunas instalaciones de reemplazo o nuevas no lo permiten por diseño del equipo mecánico o por obstáculos en la instalación.

10. ¿Se requieren accesorios adicionales?
Se deberá analizar si es requerido algún accesorio adicional como interruptores auxiliares para confirmación de apertura o cierre, cubiertas para intemperie, bases de montaje, acoplamientos por medio de varillaje y manivelas, etc.

Finalmente con toda esta información podremos seleccionar el actuador adecuado para la aplicación.

Una correcta selección del equipo mecánico y una buena selección de los actuadores para compuerta ayudarán al equipo de control para que en su conjunto se obtenga una mejor calidad del aire, confort y ahorro de energía.