Portada revista Frío y Calor Nº 10
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Se da una tabulación basada en la Fórmula de Hansen, que facilita el dimensionado y avaluación de este sistema bajo ciertas hipótesis.
Descripción del sistema
Un sistema de ventilación natural es aquel que permite la circulación del aire dentro de un recinto, basado exclusivamente en las fuerzas naturales y con prescindencia de ventiladores motorizados.
Estas fuerzas naturales son debidas a diferencias de temperaturas (y por lo tanto de densidades) entre la zona inferior y superior, y aquella debida al viento circundante.
La primera de las citadas aumenta su efecto conjuntamente con la diferencia de temperaturas del aire, y con la mayor diferencia en altura entre los ejes de las bocas de entrada inferiores y las de salida superiores
Aunque la fuerza del viento puede en ciertos casos, según zona geográfica, condiciones de la vecindad, época del año, etc., llegar a ser muy importante, su influencia útil en la circulación dentro del recinto está fuertemente gobernada por el tipo de boca, o lucarna, o ventilador estático de salida.
Fórmula de Hansen
En referencia (1) cápitulo 3, se presenta la siguiente Fórmula de Hansen para la velocidad que alcanza el aire debido a la fuerza térmica:
La velocidad así evaluada es válida, suponiendo que los efectos del viento no afecten desfavorablemente la corriente establecida: si en una aplicación dada se emplean aparatos o disposiciones que usen favorablemente la presión o inducción del viento, este efecto será adicional al anterior (ejemplo: ventiladores estáticos tipo “Robertson” o lucernarios de buen diseño, referencia(2) capítulo 13).
En este trabajo hemos querido presentar la Tabla 1, donde aparece calculada la citada velocidad en función de sus parámetros, para un rango de valores en el intervalo de uso práctico.
Formulas Adicionales
Además, para otros aspectos del cálculo son necesarias las siguientes relaciones:
Ejemplo de Aplicación 1
Existe una nave industrial del 25m de ancho por 256m de largo (6400 m2 de área de piso) destinada a almacenamiento y tránsito de materias primas, con una altura media de 12m, y teniendo una ganacia estimada de calor de 1 100 000 kcal/h aproximadas. Desea dotársele de ventilación natural suficiente para lograr que la temperatura interior no supere en más de 5 grados Celsius a la de el exterior, empleando bocas inferiores de ingreso de aire de igual monto en área que aquellas superiores para salida de aire.
Calculamos en primer lugar el caudal de aire necesario para este trabajo:
1 100 000 kcal/h / (1045 * 5ºC) = 210 m3/s = 756000m3/h.
Ahora considerando en la Tabla 1 los datos a su derecha para 32 ºC de temperatura exterior t1, podemos leer con una razón de áreas A2/A1 = 1, con dt = 5ºC y con una altura entre eje de bocas H = 12 m (supuesto que esta cifra es similar a la altura media del recinto), una velocidad v2 en las bocas de salidad de 0.98 m/s.
Esto da un requerimiento de : 210 m3/s/0.98 m/s = 214m2 de área suma en las bocas de salida; lo que, si consideramos una lucarna de 230 m libres por ambos lados demandaría una altura de salidad libre en ella de 214 m2 / (2*230 m) = 0.465m = 465mm.
El área suma de bocas de entrada, recordando que A2 / A1 = 1, será: A1 = 214 m2 / 1 = 214 m2; lo que dentro de otras posibilidades podría satisfacer con unas 86 celosias de 5 m de largo por 0.5 m de alto uniformemente distribuidas en el perímetro, ubicado tan cerca de piso como sea posible.
Este significativo movimiento de aire implica: 756.000 m3/h / ( 6400 m2 * 12 m ) = 9.8 Renovaciones por hora.
Ejemplo de Aplicación 2
Suponer que por razones de restricción arquitectónica en el ejemplo anterior, se desea reducir el área de bocas de entrada a un 80% de lo allí determinado, esto es, dotar sólo A1 = 171 m2. ¿Qué implicancias puede tener esta limitante?
En caso que se procediera a dicha reducción sin hacer ningún otro ajuste, tendríamos A2/A1 = 214 m2 / 171 m2 = 1.25; entrando con este valor y los otros conocidos a Tabla 1, leemos V2 = 0.86 m/s que refleja una seria disminución respecto de esta velocidad de salidad con ejemplo anterior. Por lo tanto el caudal de aire manejado tendería a descender inicialmente a: 214 m2 * 0.86 m/ s = 184 m3/s, lo que indudablente disminuiría el calor retirado en recinto haciendo aumentar su temperatura y provocando con esto una mayor fuerza de tiraje; el fenómeno se equilibraría finalmente cuando existiera una sobretemperatura de : 5ºC * 0.98 m/s / 0.86 m/s = 5,7 ºC, que cumple lo originalmente pedido.
Por otro lado, si se quisiera asegurar el límite pedido de 5ºC de sobretemperatura compensando con un aumento en el área de salidad A2, podríamos ver por empleo de la fórmula que se necesitaría un A2/A1 - 1.8 aproximado con un A2 = 308 m2, lo que probablemente es menos conveniente como combinación constructiva.
Ejemplo de Aplicación 3
Investigar qué sucede en temporada de invierno con la solución determinada en el ejemplo 1, considerando que en esta época sus ganancias de calor internas se estiman en unas 100 000 kcal/h y desea mantenerse unos 10 ºC mínimo de mayor temperatura que en exterior.
En este escenario el caudal movido no debiera ser mayor que: 100 000 kcal/h / (1045 * 10 ºC) = 10 m3/s aproximadamente.
Ahora, considerando en la Tabla 1 los datos a su izquierda para 2 ºC de temperatura exterior t1, podemos leer con una razón de áreas A2/A1 = 1, con dt = 10 ºC y con una altura entre eje de bocas H = 12 m, una velocidad v2 en las bocas de salidad de 1.46 m/s. Con esto, el área A2 necesaría sería sólo de : 10m3/s / 1.46 = 7 m2 aproximadamente, lo que nos está confirmando la necesidad de contar con un medio de estrangulamiento para regulación, ya sea en las bocas de salida o en las de entrada de aire.
Conclusiones
La ventilación natural de espacios es una herramienta válida, sobre todo en la medida que se trate de grandes recintos altos con generación significativa de calor interior, y donde pueda tolerarse la ausencia de filtraje y la presencia de corrientes frías en época de invierno.
La tabulación, aquí discutida es útil para visualizar la influencia y sensibilidad de los distintos parámetros involucrados.
Referencias
-Manual de Calefacción y Climatización. RENCKNAGEL y SPRENGER. Editorial Blume, 1972.
-Fundamentos de Ventilación Industrial. V.V. BATURIN. Editorial Labor, 1976.
