Conducto redondo o rectangular: ¿cuál es mejor?

1. Antecedentes

El sistema de conductos de aire es un componente crucial en la ingeniería de aire acondicionado y ventilación. Su finalidad es transportar eficientemente el aire ajustado hasta el equipo final en base al flujo diseñado.

Normalmente, los conductos de aire tienen tres formas de sección transversal: rectangular, circular y oblonga. Los conductos rectangulares generalmente se producen remachando cuatro placas de acero, mientras que los conductos redondos se crean laminando una placa de acero de 137 mm de ancho en una máquina formadora de espirales. Los conductos oblongos son relativamente poco comunes y normalmente se forman por compresión de conductos circulares.

Antes de 1960, los conductos rectangulares eran los más utilizados debido a su sencillo proceso de fabricación y sus reducidos requisitos de espacio de instalación. Sin embargo, con el desarrollo de grandes máquinas formadoras de conductos circulares en espiral, muchos proyectos de ingeniería han demostrado que los conductos circulares son más económicos y funcionan mejor en otros parámetros de ingeniería en comparación con los conductos rectangulares.

sistema de conductos de aire

Muchos conductos de aire de tejido de fibra disponibles actualmente en el mercado son sistemas de distribución de aire que combinan características como salidas de aire, conductos de suministro de aire, cajas de presión estática, materiales de aislamiento térmico y amortiguadores. Han ganado popularidad entre los usuarios debido a sus ventajas, como un suministro de aire preciso y uniforme, un bloque de instalación liviano, una apariencia atractiva y resistencia a las bacterias y al moho.

Los conductos de tela de fibra vienen en varias formas, incluidas redondas, semicirculares, de un cuarto de círculo, ovaladas y semiovaladas, para adaptarse a los requisitos de diferentes estructuras de construcción.

Conducto de tela de fibra redonda

Conducto de tela de fibra redonda

Tabla 1: Cuota de mercado de conductos circulares en cada año:

País 1960 1965 1970 1975 1980 1985 1990 2000
nórdico 5 15 40 60 70 80 85 90
Alemania 5 5 10 15 20 25 25 50
Francia 5 10 20 30 40 50 50 sesenta y cinco
Inglaterra 5 10 15 20 25 35 35 55

Desde el punto de vista del análisis económico, el coste total de un sistema de conductos de aire en un edificio a lo largo de su vida útil se puede dividir en:

  • Inversión inicial: Incluye costos de diseño, costos de material e instalación, costos de espacio, costos de puesta en marcha, etc.
  • Costos de operación: Incluye salarios del personal, costos de energía y costos de mantenimiento.
  • Costo de renovación: Incluye el costo de reparación y reemplazo de piezas desgastadas.

Investigaciones extranjeras han demostrado que en muchos parámetros los sistemas de conductos circulares superan a los sistemas de conductos rectangulares.

Este artículo resumirá los hallazgos de estos estudios y se centrará en comparar la economía de los sistemas de conductos de aire.

Cabe señalar que, en circunstancias normales, el costo de renovación constituye una pequeña porción del costo total y, por lo tanto, no se considerará en esta discusión.

2. Inversión inicial

Las razones por las que la inversión inicial requerida para un sistema de conductos circulares es menor que para un sistema de conductos rectangulares son las siguientes:

  • Los conductos redondos son más fáciles de fabricar y transportar.
  • Los componentes y accesorios de los conductos circulares han sido altamente estandarizados.
  • Los conductos circulares son estructuralmente más capaces de soportar la presión sin deformarse, mientras que los conductos rectangulares requieren tornillos, remaches, vigas de soporte y otras medidas de refuerzo adicionales.
  • Para el mismo diámetro hidráulico, un conducto circular requiere menos metal que un conducto rectangular. Cuanto mayor sea la relación de aspecto del conducto rectangular, mayor será el consumo de metal.
  • La estructura suspendida de los conductos circulares es más fácil de instalar en comparación con los conductos rectangulares. Según GB50243-2002 “Código para la Construcción y Aceptación de Obras de Ventilación y Aire Acondicionado”, la distancia entre soportes para conductos rectangulares con lados largos mayores a 400 mm es de 4m, mientras que la distancia entre soportes para conductos en espiral se incrementa a 5m.
  • El punto de medición para medir el volumen de aire de un conducto circular es más pequeño que el de un conducto rectangular, por lo que cuando el sistema de conductos está equilibrado, el costo de puesta en servicio también será menor que el de un conducto rectangular.
  • Los conductos circulares pueden reducir significativamente la introducción de ruido de baja frecuencia en la habitación, reduciendo así la necesidad de equipos de reducción de ruido.

Diseñamos dos esquemas de sistemas de ventilación para una habitación grande utilizando conductos circulares y rectangulares y comparamos la pérdida de presión del sistema y los parámetros económicos relacionados. Los resultados, basados ​​en los precios del mercado nórdico para el año, se presentan en la Figura 1.

Los cálculos mostraron que, bajo las mismas condiciones finales del equipo, el costo total de instalación del sistema de conductos circulares fue solo la mitad que el del sistema de conductos rectangulares, y el costo de material del sistema de conductos circulares fue el 80% del de los conductos rectangulares. sistema.

conducto circular conducto rectangular
Pérdida de presión total (Pa): 150,0

Costo total de instalación: 0.51R

Costo total del material: 0,8 millones.

(A)

Pérdida de presión total (Pa): 165,4

Costo total de instalación: R

Costo total del material: M

(B)

Figura 1: Comparación de esquemas de diseño de tuberías

(A) Conducto circular (B) Conducto rectangular

El análisis económico del espacio ocupado por el sistema de conductos es un desafío debido a su dependencia de la estructura y propósito del edificio.

Generalmente se cree que los conductos rectangulares ahorran espacio, pero en realidad, para los conductos rectangulares con una relación de aspecto cercana, el área real que ocupan es mayor que la de los conductos circulares. Esto se debe principalmente a que los conductos rectangulares requieren bridas para la conexión y la altura de los bordes de las bridas suele ser superior a 20 mm, como se muestra en la Figura 2 (A).

Sin embargo, los conductos de aire en espiral modernos se pueden conectar con flexibilidad estandarizada, como se muestra en la Figura 2 (B), lo que no solo ahorra espacio sino que también es más fácil de instalar. Por lo tanto, para conductos de aire rectangulares con una relación de aspecto cercana a 1, no se pueden descuidar las ventajas de los conductos circulares.

conducto rectangular
Conexión de conducto circular

(A) (B)

Figura 2: Comparación esquemática de conexión de conductos

(A) Conducto rectangular (B) Conducto circular

Para ductos rectangulares de grandes proporciones, se pueden reemplazar por varios ductos circulares, como se muestra en la Figura 3. Esta alternativa puede facilitar enormemente el control del volumen de aire y también reducir los costos de instalación. Aunque el costo de los materiales puede aumentar, las investigaciones han demostrado que en este esquema la inversión inicial es casi la misma que la del conducto rectangular.

plano alternativo de conducto rectangular

Figura 3: Un plano alternativo para el conducto rectangular de 550 mm × 150 mm que se reemplazará por dos conductos circulares D = 200 mm

3. Costos operativos

En circunstancias normales, la mayor parte de los costes operativos de los sistemas de aire acondicionado es el consumo de energía. Esto incluye la energía necesaria para calentar o enfriar el aire y también para transportar el aire hasta el equipo final. Si todo el sistema de conductos está bien aislado, la cantidad de fugas de aire de los conductos se convierte en una fuente importante de consumo excesivo de energía.

Para el sistema de conductos, el ventilador proporciona energía circulante y la presión del viento del ventilador normalmente no excede los 650 Pa. Excluyendo la pérdida de presión en el equipo final de la unidad de tratamiento de aire, la presión disponible de todo el sistema de conductos es de aproximadamente 200-300 Pa.

Por lo tanto, es fundamental minimizar la pérdida de presión en el sistema de conductos de aire. Al mismo tiempo, el nivel de fuga de aire también afecta directamente a la selección de potencia del ventilador. Según el teorema del ventilador, la potencia del ventilador es proporcional al cubo del volumen de aire. Es decir, si la tasa de fuga del conducto de aire es del 6%, la potencia del ventilador aumentará en un 20%. La tasa de fuga de los conductos de aire circulares es mucho menor en comparación con los conductos de aire rectangulares.

3.1 Tasa de fuga de aire

La tasa de fuga del conducto de aire se puede calcular mediante la siguiente fórmula:

Cálculo de la tasa de fuga del conducto de aire.
  • referencia f = tasa de fuga del área
  • q vl = fuga de aire
  • A = superficie del conducto
  • K = constante de fuga de aire
  • △p referencia = diferencia de presión entre el conducto y el exterior

En Europa, la estanqueidad de los conductos de aire se divide en cuatro niveles (A, B, C, D) según la constante de fuga de aire.

La Tabla 2 muestra las constantes máximas de fuga de aire permitidas para los respectivos grados.

Clase A KA = 0.027×10 -3 i 3 es -1 i -2 Padre -0.65
Clase B KB = 0.009×10 -3 i 3 es -1 i -2 Padre -0.65
Clase C KC = 0.003×10 -3 i 3 es -1 i -2 Papá -0.65
Clase D KD = 0.001×10 -3 i 3 es -1 i -2 Padre -0.65

Tabla 2: Clasificación de estanqueidad al aire para sistemas de conductos europeos

La comparación con los conductos circulares muestra que los conductos rectangulares requieren muchos más tornillos y remaches para la conexión, lo que provoca una fuga de aire mucho mayor.

La Figura 4 presenta datos medidos en Bélgica, que muestran que la tasa de fuga promedio de los conductos rectangulares es siete veces mayor que la de los conductos circulares.

El “Código para la Construcción y Aceptación de Obras de Ventilación y Aire Acondicionado” GB50243-2002 también establece que la fuga de aire permitida para conductos circulares es el 50% de la de los conductos rectangulares.

Mediciones de tasa de fuga de aire

Figura 4: Mediciones de las tasas de fuga de aire en 21 edificios belgas (Carrié et al, 1999)

3.2 Pérdida de carga

El equivalente hidráulico se utiliza para estimar la pérdida de presión del sistema de conducto rectangular con el mismo diámetro equivalente hidráulico. A pesar de las diferentes formas de sus secciones transversales, presentan la misma pérdida de presión a lo largo del recorrido.

La Figura 5 compara la pérdida de presión de un conducto circular (D = 0,5 m, U = 5 m/s, Σ = 0,15 mm) y un conducto rectangular con la misma área y caudal. Es evidente que en este caso, la pérdida de presión del conducto rectangular es mucho mayor que la del conducto circular, y a medida que aumenta la relación de aspecto del conducto, aumenta la pérdida de presión. Esto implica que se requiere mayor potencia del ventilador.

Comparación de pérdida de presión entre conducto rectangular y conducto circular con flujo y velocidad de flujo constantes

Figura 5: Comparación de la pérdida de presión entre conducto rectangular y conducto circular con flujo y velocidad de flujo constantes (flujo = 1 m³/s, v = 5 m/s)

El concepto de “diámetro hidráulico equivalente” supone que el esfuerzo cortante promedio a lo largo del límite de un conducto rectangular debe ser consistente. En otras palabras, la línea isocinética debe ser paralela al límite del conducto de aire. Sin embargo, los resultados reales de las mediciones muestran que en un conducto de aire rectangular, el gradiente de velocidad a lo largo de la línea diagonal decae más lentamente y el gradiente de velocidad a lo largo de la línea central decae más lentamente.

Por lo tanto, en teoría, el diámetro hidráulico equivalente debe utilizarse con precaución en los dos casos siguientes:

  • El flujo es muy pequeño y el campo de flujo no puede alcanzar el estado de turbulencia completa.
  • La sección transversal del tubo está lejos de ser circular, es decir, el rectángulo tiene una gran relación largo-ancho.

Los datos experimentales también cuestionan la universalidad del diámetro hidráulico equivalente. JONES realizó una serie de experimentos sobre la pérdida de presión en conductos rectangulares lisos. El nuevo análisis de sus datos experimentales se muestra en la Figura 6.

A pesar de la falta de datos para 10

Los experimentos de Griggsetal con conductos rectangulares rugosos obtuvieron resultados similares.

Comparación de la pérdida de presión entre un conducto rectangular liso y un conducto circular con diferentes relaciones de largo a ancho

Figura 6: Comparación de la pérdida de presión entre un conducto rectangular liso y un conducto circular con diferentes relaciones longitud-ancho

3.3 Costos de mantenimiento

Para prevenir el síndrome del edificio enfermo, es necesario limpiar periódicamente los conductos de aire. Los métodos de limpieza incluyen el método seco (usando una aspiradora y un cepillo) o el método húmedo (usando un trapeador largo). En cualquier caso, limpiar los conductos circulares es más fácil que los conductos rectangulares.

4. Conclusiones

El análisis económico de los sistemas de conductos de aire es una tarea desafiante. Hay que tener en cuenta una serie de factores, ya que la vida útil de un sistema de conductos muchas veces puede superar los diez años. En este caso, una pequeña mejora en el diseño y la calidad puede aumentar mucho la rentabilidad de la inversión.

Por tanto, el uso de conductos circulares es una solución más económica. Sin embargo, es importante tener en cuenta que, por motivos como el silencio y el espacio, todavía se recomiendan conductos rectangulares para algunos componentes de gran tamaño y flujo del sistema de conductos de aire, como las aberturas de entrada de aire fresco y las salidas de dispositivos de tratamiento de aire.

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