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4.4.1 PÉRDIDA O GANANCIA DE CALOR EN UN CONDUCTO DE AIRE

Un conducto de aire recibe incidencia del aire ambiental a causa de la diferencia de temperatura entre ellos. En términos de transferencia de calor. Conocer que tanto se pierde o gana en un conducto de aire por la transferencia de calor entre el ambiente y el ducto se vuelve clave para optimizar el diseño de los conductos.
Básicamente la transferencia de calor nos dice que:
Ecuación 4.4.1a
Donde,
q_d = Calor trsnsferido
U = Coeficiente global de transferencia de calor
A = Área superficial del conducto
delta T = diferencia de temperatura entre el ducto y el ambiente (T – T_∞)
Cuando se ve el cambio de temperatura de un conducto como un cambio proporcional (calor específico de presión constante) a lo largo del conducto, se tiene que:
Ecuación 4.4.1b
Donde,
t_0 = Temperatura al inicio del conducto
U = Coeficiente global de transferencia de calor
t_f = Temperatura al final del conducto
L = Longitud al final del conducto
x = Posición en el largo del conducto
Siendo así, el valor del calor que se transfiere entre el ambiente y el ducto es:
Ecuación 4.4.1c
Donde P es el perímetro del conducto. Resolviendo para un espesor uniforme se tiene que:
Ecuación 4.4.1d

4.4.2 AISLAMIENTO Y CONSIDERACIONES TÉRMICAS

El control del calor perdido por el calor que intercambia el ducto con su alrededor es crucial para realizar un buen diseño de conductos de aire. La clave para seleccionar el material tanto del ducto, como del aislamiento a utilizar en un sistema depende de:
  • Optimización del consumo energético: el espesor del aislamiento debe ser tal que su costo no sea muy elevado y a su vez
    responda a un ahorro en el consumo del equipo. (ver figura 1)
  • Protección: el aislamiento debe impedir que puede haber contacto con entre personas con la superficie del ducto para evitar
    quemaduras u otro tipo de lesiones.
  • Control de condensación: la diferencia de temperatura no solo genera una transmisión de calor hacia el aire conducido, sino
    también genera que el aire exterior que está en contacto con el ducto se condense. Siempre que la temperatura del ducto sea
    igual o inferior al punto de rocío de la temperatura exterior, se debe aislar el ducto.
  • Control de ruido: reducir el nivel sonoro generado por la velocidad del aire en el conducto.
  • Protección contra incendio: frenar la propagación del fuego.
Ch4Fig1
Figura 4.1
Optimización del costo del aislamiento térmico
Para términos de transmisión de calor, los materiales aislantes se clasifican bajo lo que se conoce como el valor R de aislación. Si reorganizamos la ecuación 4.4.1a se podría establecer que:
Ecuación 4.4.2
Es decir que el valor R no es más que la inversa del coeficiente global de transferencia de calor y sus unidades son m^2•K/m. Es decir que un material aislante R-1.00 no es más que un material con 1 m^2•K/W de valor R. Cuanto más alto sea el valor R de un material, mayor será su capacidad para aislar térmicamente.

4.4.2.1 Determinación de cantidad de aislamiento para ductos

El principio básico del aislamiento en conductos de aire es la conservación de la temperatura del aire transportado.
Normalmente para iniciar un cálculo del nivel de aislamiento que debe tener un sistema se comienza por la selección del valor mínimo entregado por las tablas de la ASHRAE® 90.1 y 90.2 o el RITE colombiano; muchas veces basta con este valor mínimo para tener unas buenas condiciones de consumo energético.
La tabla 4.1 muestra los niveles mínimos de aislamiento para aplicaciones residenciales y comerciales acorde a la norma ASHRAE 90.1. La tabla 4.2 muestra los valores recomendados por el RITE colombiano. Para este documento sólo se dejarán los valores del RITE como reseña ya que no son prácticos y no tienen en cuenta las zonas climáticas del país.
Tabla 4.1
Valores de aislamiento de ductos de suministro según ASHRAE®
Zona climática Ubicación del ducto
Exterior Interior con cielo aislado Interior con cubierta aislada Interior con cubierta expuesta (sin cielo)
1 R-1.06 R-1.41 R-0.62 No requerido
2 R-1.06 R-1.06 R-0.62 No requerido
3 R-1.06 R-1.06 R-0.62 No requerido
4 R-0.62 R-1.06 R-0.34 No requerido
NOTA: Todos los ductos de retorno se aíslan con un valor R-0.62 con excepción del interior con cubierta expuesta.

Tabla 4.2
Valores de aislamiento de ductos según RITE COLOMBIANO (para R-25.0)

Ubicación del ducto
Exterior Interior
Aire caliente 20 mm 30 mm
Aire frío 30 mm 50 mm
Es importante tener en cuenta que el valor hallado en estas tablas sólo hace referencia a la conducción térmica, pero existen un sin número de aplicaciones en las que no basta con ceñirse a la consideración térmica. Por ejemplo puede ser que en una ciudad costera como Barranquilla se tenga dentro de un cuarto técnico un conducto de aire en un cielo falso de yeso con una cantidad considerable de lámparas y vástagos rodeándolo. El recinto requiere condiciones de baja temperatura (20 °C) para operar por lo que el aire que se debe inyectar a través de los conductos frente al aire caliente del pleno del cielo demanda un valor mayor de espesor que el que normalmente se utiliza.Otro ejemplo es un conducto de ventilación en una oficina que por temas de espacio tiene una velocidad de diseño de 2500 fpm.
Se estima que el nivel de ruido llega a superar los 60 dB(A) y el diseñador arquitectónico ha definido que no se tendrá cielo falso en el espacio. Se debe aislar el ducto con algún elemento acústico para reducir estos valores sin importar que, acorde a la tabla, estos conductos no deben llevar aislamiento.Por ser este capítulo dedicado al tema térmico, dejaremos las otras consideraciones para otro capítulo en donde las veremos más minuciosamente.

4.4.2.2 Economía del material

En temas de espesor de aislamiento en un conducto existen varias variables que se deben cumplir, la principal es sin duda la conservación del calor transportado. Las tablas vistas anteriormente nos dan valores mínimos, teóricamente con escoger este valor tendremos nuestro valor más económico para nuestro proyecto. Sin embargo, como diseñadores energéticos siempre debemos considerar los factores de economía a largo plazo; ¿qué pasa si con ¼ in más de espesor mi consumo energético se reduce lo suficiente para recuperar el sobrecosto en un año?, ¿qué pasa si la degradación del aislamiento térmico que utilizo es tan alta que tendré que cambiarlo antes de dos años? Un buen diseño energético en el aislamiento térmico demanda un capítulo en el estudio de cuál puede ser el mejor aislamiento térmico para un proyecto.

REFERENCIAS BIBLIOGRÁFICAS

[1] AMERICAN SOCIETY OF HEATING, REFRIGERATING AND AIR-CONDITIONING ENGINEERS. Fundamentals Handbook. Duct Design
[Archivo de lectura Acrobat Reader *.pdf]. ASHRAE’s online bookstore [online]. 2010. Avalaible from
internet: <http://www.techstreet.com/ashrae/products/1859201&gt;. 46 p.
[2] AMERICAN SOCIETY OF HEATING, REFRIGERATING AND AIR-CONDITIONING ENGINEERS. Fundamentals Handbook. Insulation for Mechanical
Systems [Archivo de lectura Acrobat Reader *.pdf]. ASHRAE’s online bookstore [online]. 2010. Avalaible from
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[2] YOBOT et al. R-value (insulation) [online]. WIKIPEDIA [online]. [cited 12 January 2015]. Available from Internet:
≶http://en.wikipedia.org/wiki/R-value_%28insulation%29>
[3] ASOCIACIÓN COLOMBIANA DE ACONDICIONAMIENTO DE AIRE Y DE REFRIGERACIÓN. Reglamento de Instalaciones Térmicas en
Edificaciones (RITE) [Archivo de lectura Acrobat Reader *.pdf]. ACAIRE [online]. [cited 12 January 2015]. Available from
Internet: <http://www.acaire.org/doc/normas/RITE.pdf&gt;