Tasa de fricción y velocidad, las dos palancas
Cada pie de conducto recto le cuesta al aire un poco de presión estática al arrastrarse contra la pared. Expresado por unidad de longitud, ese costo es la tasa de fricción: pulgadas de columna de agua por cada 100 pies de conducto en unidades imperiales, o pascales por metro en el SI. La velocidad es lo rápido que viaja el aire por la sección, en pies por minuto o metros por segundo. Ambas están vinculadas. Si se hace pasar un caudal fijo por un conducto más pequeño, sube la velocidad y también la tasa de fricción; si se amplía el conducto, ambas bajan.
Dimensionar un conducto es elegir en qué punto situarse dentro de ese equilibrio. Un conducto más grande es más silencioso, pierde menos presión y ahorra energía del ventilador durante toda la vida del edificio, pero cuesta más en acero y ocupa más espacio en el cielo raso. Un conducto más pequeño es más económico y más fácil de tender en poco espacio, pero es más ruidoso y obliga al ventilador a trabajar más cada hora que funciona. La tasa de fricción y la velocidad son los dos mandos que fijan el equilibrio.
El gráfico de fricción y el método de fricción constante
La herramienta clásica es el gráfico de fricción de conductos. Relaciona cuatro magnitudes para un conducto redondo que transporta aire estándar: caudal en cfm, diámetro del conducto, velocidad y tasa de fricción. Si se fijan dos cualesquiera, las otras dos se leen directamente en el gráfico. Para tener una idea de las cifras con un ejemplo, unos 6000 cfm en un conducto redondo de 28 in. circulan a unos 1400 fpm y pierden cerca de 0,08 in. w.g. por 100 ft. El gráfico es una solución gráfica de la ecuación de fricción de Darcy-Weisbach, por lo que la pérdida por fricción sube tan bruscamente con la velocidad: crece aproximadamente con el cuadrado de la velocidad.
La forma más habitual de usar el gráfico en un sistema comercial de baja presión es el método de fricción constante. Se elige una tasa de fricción y se dimensiona con ella cada tramo del conducto. Como el caudal baja a medida que el recorrido se ramifica mientras la tasa de fricción se mantiene constante, la velocidad desciende por sí sola hacia los extremos del sistema, lo que reduce discretamente el ruido del aire cerca de las salidas. Una tasa de fricción de 0,08 a 0,10 in. w.g. por 100 ft es un punto de partida típico, a menudo cerca de 0,10 para impulsión y 0,08 para retorno. Es una pauta de diseño, no un límite normativo. La banda razonable va desde unos 0,05 in. w.g. por 100 ft para un sistema silencioso y eficiente hasta unos 0,15 para uno más ajustado y económico, y el valor adecuado siempre depende del proyecto.
La fricción constante es popular porque es sencilla y se adapta bien a los sistemas de volumen constante. Su principal debilidad es que no iguala la presión disponible en cada ramal, salvo que el trazado sea simétrico, por lo que se necesitan compuertas de balanceo para equilibrar los tramos cortos cercanos al ventilador frente a los largos hasta las habitaciones más lejanas.
Velocidades de aire recomendadas
La velocidad está limitada por arriba por el ruido y el costo, no por la física, de modo que las cifras útiles son recomendaciones y no límites. Las velocidades tradicionales para aire acondicionado de confort, según el tipo de edificio, son:
| Conducto |
Viviendas |
Escuelas, oficinas, edificios públicos |
Industrial |
| Conducto principal | 700-900 fpm | 1000-1300 fpm | 1200-1800 fpm |
| Ramal | 500-700 fpm | 600-900 fpm | 800-1000 fpm |
Son pautas de diseño recomendadas, no cifras normativas. Una regla práctica dimensiona los ramales cerca del 80 por ciento de la velocidad del conducto principal y el tramo final hacia el difusor cerca del 50 por ciento, lo que mantiene el aire lento y silencioso donde entra al local. Los difusores de impulsión y las rejillas de retorno suelen mantenerse en unos pocos cientos de fpm de velocidad de cara por la misma razón.
Velocidad, ruido y potencia del ventilador
Las penalizaciones de la velocidad escalan mal. La pérdida por fricción crece aproximadamente con el cuadrado de la velocidad, y la potencia del ventilador necesaria para vencerla con el cubo, así que duplicar la velocidad con el mismo caudal cuadruplica la fricción y multiplica por ocho la potencia del ventilador. Una velocidad mayor también genera directamente más ruido aerodinámico, por lo que se mantiene baja la velocidad para que el nivel de ruido NC o RC sea aceptable en los espacios ocupados. Un conducto principal rectangular que atraviesa un espacio ocupado suele mantenerse cerca de 2000 fpm con un objetivo de ruido relajado y por debajo de 1000 fpm con uno estricto; el conducto redondo tolera velocidades más altas antes de volverse ruidoso.
Según la velocidad, los sistemas se agrupan de forma aproximada en baja velocidad hasta unos 2000 fpm, media desde unos 2000 hasta 2500 fpm, y alta por encima de unos 2500 fpm. La línea divisoria no es una cifra fija única; según la fuente se ha situado en distintos puntos entre 1500 y 2500 fpm.
Cuando la fricción constante no es el método
La fricción constante es la opción por defecto en trabajos de baja presión, pero en sistemas más grandes o de mayor velocidad aparecen otros dos métodos.
- La recuperación estática dimensiona el conducto de modo que la velocidad se reduce escalonadamente a lo largo del recorrido, dejando que la presión de velocidad recuperada compense la pérdida por fricción del tramo siguiente. El resultado es una presión estática aproximadamente uniforme en cada ramal, lo que facilita la selección de salidas y el balanceo. Es la elección habitual en distribución grande, de alta velocidad y VAV, sobre todo en el conducto de alta presión entre la unidad manejadora de aire y las cajas VAV.
- La reducción de velocidad simplemente asigna velocidades progresivamente menores al conducto principal, los ramales y los tramos finales a partir de una tabla de velocidades, y luego dimensiona cada sección con la fórmula área igual a caudal dividido por velocidad. Es rápida, pero depende mucho del criterio del proyectista.
Conducto redondo y diámetro equivalente
La forma del conducto cambia la fricción antes de aplicar cualquier método. Para una misma sección transversal, un conducto redondo tiene el perímetro más pequeño, y por tanto la menor pared contra la que roza el aire, lo que le da la menor pérdida por fricción de todas las formas. La ventaja aumenta cuanto más se aplasta un conducto rectangular hacia una relación de aspecto más alargada. Por eso el conducto redondo y espiral es la opción eficiente en tramos largos y de gran caudal donde importan la fricción y la energía del ventilador, y es una de las razones por las que una máquina formadora de tubo espiral gana su lugar junto a una línea rectangular y no en lugar de ella.
Para comparar ambos de forma justa se usa el diámetro equivalente: el diámetro de un conducto redondo que transportaría el mismo caudal con la misma pérdida por fricción que un conducto rectangular dado. Es la base correcta para leer una medida rectangular en un gráfico de fricción para conducto redondo. Consulte nuestra comparación entre conducto redondo y rectangular para ver el balance completo, y las tablas de dimensionamiento de conducto rectangular y espiral para las dimensiones.
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De la fricción al ventilador y al taller
La tasa de fricción y la velocidad no son solo un ejercicio de dimensionamiento. Fijan el ventilador. El ventilador debe producir presión estática suficiente para vencer todas las pérdidas a lo largo de la trayectoria crítica, la ruta de mayor resistencia desde el ventilador hasta la salida más remota, más la presión estática externa de serpentines, filtros y terminales. Esa presión estática total es la que se usa para seleccionar el ventilador, y es también la que fija la clase de presión del conducto. Una presión estática de sistema más alta lleva el tramo más cercano al ventilador a una clase de presión superior, lo que determina la construcción SMACNA con la que fabrica el taller: calibre más grueso, refuerzos más cercanos, una junta más resistente y una clase de sellado más estricta. Si se dimensiona el conducto de forma demasiado agresiva para ahorrar acero, se puede subir la clase de presión, y la energía del ventilador, más de lo que se ahorró. La decisión de dimensionamiento y el costo de fabricación son dos extremos del mismo cálculo.
El lenguaje de especificación que encontrará
Una especificación mecánica suele fijar el método de dimensionamiento y un techo de velocidad o de fricción en lugar de cada medida de conducto: "Los conductos de impulsión de baja presión se dimensionarán con el método de fricción constante con una tasa de fricción que no supere 0,10 in. w.g. por 100 ft, y con una velocidad en el conducto principal que no supere 1300 fpm en las zonas ocupadas." En cambio, una especificación VAV dice: "Los conductos de alta presión entre la unidad manejadora de aire y los terminales VAV se dimensionarán por recuperación estática." En cualquier caso, la especificación fija el equilibrio entre tamaño del conducto, ruido y energía del ventilador que luego sigue el resto del diseño.
Preguntas frecuentes
¿Qué es la pérdida por fricción en un conducto?
Es la presión estática que pierde el aire al rozar contra la pared de un conducto recto, expresada como una tasa de fricción en in. w.g. por 100 ft (o Pa/m). El gráfico de fricción relaciona caudal, diámetro, velocidad y tasa de fricción, de modo que dos cualesquiera dan las otras dos.
¿Cuál es una buena tasa de fricción para el diseño de conductos?
De 0,08 a 0,10 in. w.g. por 100 ft es un valor de diseño habitual de fricción constante, a menudo 0,10 en impulsión y 0,08 en retorno. Es una pauta, no un límite normativo; el rango razonable va de unos 0,05 para conducto silencioso y eficiente hasta unos 0,15 para conducto más ajustado y económico, y el número adecuado depende del proyecto.
¿Cuáles son las velocidades de aire recomendadas en conductos HVAC?
Las velocidades recomendadas en el conducto principal son de unos 700 a 900 fpm en viviendas, de 1000 a 1300 fpm en edificios comerciales y de 1200 a 1800 fpm en industriales. Los ramales van más lentos. Una regla práctica dimensiona los ramales cerca del 80 por ciento y el tramo final cerca del 50 por ciento de la velocidad del conducto principal. Son pautas, no normas.
¿Por qué importa la velocidad del aire en el conducto para el ruido?
La fricción crece aproximadamente con el cuadrado de la velocidad y la potencia del ventilador con el cubo, así que duplicar la velocidad cuadruplica la fricción y multiplica por ocho la potencia del ventilador. Una velocidad mayor también produce más ruido aerodinámico, por lo que se limita la velocidad para mantener el nivel de ruido NC o RC en los espacios ocupados.
¿Tiene el conducto redondo menos fricción que el rectangular?
Sí. Un conducto redondo tiene el perímetro más pequeño para un área dada, por lo que tiene la menor fricción de pared y la menor pérdida de todas las formas, y la diferencia se amplía cuanto más alargado es el conducto rectangular. El diámetro equivalente es la medida redonda que iguala el caudal y la fricción de un conducto rectangular.
