Control de flujo de aire

Esta práctica tiene diferentes aplicaciones y finalidades, dependiendo de dónde se vaya a utilizar el sistema y el tipo de zona por controlar.

Ingrid Viñamata.

El control de flujo en un cuarto limpio es diferente, que en una oficina, en una zona de explosividad o en una zona presurizada. Además de la estrategia de control que se determine para certificaciones o ahorro de energía, los diseños con regulación de flujo se deberán desarrollar y evaluar siempre con un concepto de regulación integral para obtener mejores resultados.

Existen diferentes tipos de reguladores de flujo:

1. Reguladores con apoyo de energía auxiliar con actuador para regulación de caudal variable, con control de presión independiente en ducto
2. Reguladores que permiten el control de flujo de aire dentro de la misma caja, con base en su tamaño nominal; no requieren de energía secundaria y se puede confirmar su operación a través de un LED de control
3. Regulador de caudal automecánico que dé flujo constante; se ajustan manualmente, y no requieren de ningún apoyo de energía para la operación

Para poder analizar el uso de cada una de estas alternativas, se iniciará con el tema de distribución de aire. En sistemas de acondicionamiento por zonas, es posible encontrar dos tipos: el de volumen constante y el de volumen variable.

Existen diferencias entre ambos sistemas. El que se seleccione dependerá del concepto global del inmueble; es decir que podrían utilizarse en un inmueble áreas con volumen constante y áreas con volumen variable.

Se puede obtener un sistema eficiente y ahorrar energía con el simple hecho de colocar un variador de frecuencia. Pero, sin olvidarse de los ventiladores, también se pueden diseñar sistemas con diferentes combinaciones:

Si se realiza una gráfica de beneficios y ahorros, podría concluirse que:

a) Ventilador de velocidad constante y compuertas de equilibrio
b) Ventilador de velocidad constante y reguladores de caudal
c) Ventilador de velocidad variable y compuertas de equilibrio
d) Ventiladores con velocidad variable y reguladores de caudal de aire

a) Ventilador de velocidad constante y compuertas de equilibrio
Sistema de aire tradicional, antiguo, en el que el balanceo suele ser laborioso, ya que se debe medir punto por punto el caudal de aire e ir ajustando para cada bifurcación, y a su vez, para cada difusor. El proceso de medición y ajuste se debe hacer varias veces, hasta que todos los tramos queden equilibrados. Un problema frecuente en este tipo de sistemas es la pérdida de caudal de aire a medida en que se ensucian los filtros.

b) Ventilador de velocidad constante y reguladores de caudal
En estos diseños, el ventilador deberá estar seleccionado lo suficientemente grande para mantener la presión de todos los reguladores, incluso con la máxima carga que se puede presentar con filtros sucios. No es necesario tomar mediciones en todas las derivaciones.

c) Ventilador de velocidad variable y compuertas de equilibrio
Es uno de los más utilizados en el país; se tiene que hacer el ajuste de las compuertas de regulación. La presión en la red de distribución se mantiene constante, gracias al variador de frecuencia del ventilador, accionado por el sensor de presión diferencial ubicado en el ducto de inyección de aire.

d) Ventiladores con velocidad variable y reguladores de caudal de aire
Es completamente automatizado y ofrece mayores ventajas, tanto de ahorro de energía como de confiabilidad operativa. Se realiza el ajuste inicial; las cajas de regulación de aire funcionan con un punto de control proporcional (caudal de aire variable), lo que da pie a que se ajusten respecto de la demanda térmica; si hay algún cambio, sólo se modifica el set-point.

Diferencias que otorga el sistema:
•   Factibilidad de regulación en cada zona
•   Posible cierre total o límite máximo y mínimo de caudal
•   Caudal máximo y mínimo; se puede hacer en etapas con el control tipo proporcional o por impulsos regulados
•   Los circuitos de regulación no deben intervenir entre ellos
•   El set-point puede cambiar en todo momento
•   El sistema se puede integrar al administrador del edificio con los diferentes protocolos de comunicación y ajustarse incluso en forma remota

Medición
El caudal de aire se mide a través de un sensor de presión diferencial, colocado en diferentes puntos del sistema para obtener un valor medio, la velocidad de aire y el área del ducto. Esta medición permite calcular el flujo real de aire en cada ramificación.

El caudal de aire que influye a través de un dispositivo colocado en el interior del ducto provoca una diferencia de presión medible, denominada presión dinámica o presión de velocidad, que se puede medir directamente con un tubo de Pitot. Esta presión es proporcional al cuadrado de la velocidad de paso de aire y proporciona el caudal una vez conocida la sección de paso del conducto. Es necesario y recomendable, cuando se utilizan compuertas de un sólo punto de medición, que se coloquen en un tramo recto de ocho diámetros por lo menos. Sin embargo, se sabe que muchas veces no es posible colocar la caja dentro de esos rangos y se ha encontrado que se colocan justo antes de un codo, por lo que se recomiendan reguladores de flujo con sensor en diferentes puntos del ducto para obtener una media de ajuste.

La presión dinámica se mide a través de transductores de presión. El aparato está construido como un conducto de medición de velocidad en miniatura; contiene un elemento caliente, el cual pierde tanto más calor, cuanto mayor es la velocidad del aire que circula. Debido a que el caudal de aire parcial que entra en la sonda de presión es proporcional al caudal total de aire, la señal de medición puede ser calibrada en función del caudal total, con lo que se obtiene una señal de tensión lineal al caudal de aire.

Existen diferentes tipos de transductores de presión diferencial para hacer el balanceo del sistema; los hay con señal eléctrica o neumática. Los componentes se fundamentan en diferentes principios de funcionamiento, dependiendo de si se trata de presión dinámica o estática.

Los reguladores de flujo constante, así como los sistemas neumáticos, generan presión en la membrana de regulación, a la cual se le conoce como presión estática. La presión estática se mide con un sensor que se compone de un cilindro con una membrana entre dos cámaras, las cuales corresponden a la presión positiva y negativa. La membrana se encuentra en posición central cuando la presión en ambas cámaras es la misma.

Una diferencia de presión provoca el desvío de la membrana hacia el lado de la presión más baja. El cambio de posición equivale a la medida de la presión diferencial real. Con ello, se origina una señal de tensión proporcional a la presión real. El regulador de caudal recibe esta señal y debe ajustarse en función de ella, y realizar la raíz cuadrada de su valor para proporcionar una señal lineal al caudal.

Regulación
Como se expresó, hay reguladores de caudal de tipo variable y automecánicos. La regulación de caudal de aire variable se realiza con apoyo de una fuente externa, a través de un circuito cerrado. El regulador recibe de la sonda de presión el valor real. El set-point, en la mayoría de los casos, proviene de un sensor de temperatura en el espacio. El control compara el valor real con el set-point fijado y envía la señal correctora al servomotor de la compuerta. Las variaciones de presión en el ducto, provocado por el ajuste de otras áreas, es detectado y corregido por el controlador, con lo que se mantiene la temperatura del local.

Gráfica 2. Regulador de caudal automecánico; se ajusta manualmente y no requiere apoyo de energía para la operación

Caudal de aire variable
Una vez que se produce una variación de la señal de mando, el caudal de aire se ajusta al nuevo valor. Esta variable se puede limitar a un valor mínimo y un valor máximo. La regulación se puede alterar mediante una orden externa imperativa, como cierre total.

Estas compuertas tienen un rango de flujo constante, ajustable externamente. Poseen una compuerta de regulación que gira sobre cojinetes. Las fuerzas aerodinámicas producidas por el flujo de aire provocan un par de cierre de la compuerta. Este movimiento de cierre se ve amplificado si una membrana de regulación se infla (bolsa de aire presurizada y diseñada para el flujo de aire específico), lo que genera una fuerza que actúa en contra, provocada por la acción del muelle de láminas, y una leva que mantiene constante el caudal de aire ajustado con independencia de las variaciones de presión en el conducto.

La membrana del regulador tiene, adicionalmente, la misión de actuar como amortiguador de oscilaciones. La respuesta de este tipo de compuertas es instantánea. Se recomiendan en laboratorios y cuartos de presión controlada, ya que, de forma económica y eficiente, permiten que el espacio no se desbalancee por apertura momentánea de puertas o accesos. Son recomendables para sistemas de baja presión en ductos.

Su funcionamiento puede ser desde muy sencillo y económico, hasta sumamente automatizado y eficiente. No se debe olvidar que, cuando se diseña un inmueble, cualquiera que sea, deben ser analizados su uso, los recursos económicos para su desarrollo, las certificaciones y normativas por cumplir, y calidad de aire por manejar. Más tarde, con estos reguladores, se tendrá que hacer la regulación de la temperatura y de la presión en el espacio.

Conclusiones
1. La regulación del caudal de aire es sumamente importante en los sistemas de diseño de edificios de alto desempeño, para control de áreas limpias y cuartos de condiciones ambientales controlados, y en los que permiten sistematizar la presión en las diferentes áreas, así como para la regulación de temperatura en espacios.
2. Siempre que se coloque un sistema de distribución de aire, es requerido un balanceo en ductos, derivaciones y difusores; este tipo de componentes facilita la labor.
3. La correcta operación, ubicación y programación de las compuertas de regulación permite una operación eficiente y confiable del sistema.
4. Los componentes de regulación, sin duda, colaboran a la satisfacción de confort en temperatura y nivel de ruido en las diferentes zonas.
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Ingrid Viñamata Chávez

Ingeniero Mecánico con especialidad en Máquinas Térmicas por el Instituto Politécnico Nacional. En su desarrollo profesional, ha realizado ventas, desarrollo y ejecución de proyectos en aire acondicionado industrial. Entre las empresas en las que ha laborado, se encuentran Mandujano y Mendoza; Carrier de México; York Internacional; Trane, y actualmente Trox México, donde ejerce sus conocimientos como gerente Nacional de Ventas.