Filtros sucios, menos caudal

Un ventilador seleccionado contra un filtro limpio puede fallar más tarde

Un filtro no es un número de presión fijo. A medida que el polvo carga el medio, su resistencia aumenta y el punto de funcionamiento del ventilador se mueve para reducir el flujo de aire y aumentar la presión.

El error habitual es seleccionar un ventilador de refrigeración compacto entre su condición de aire libre o de filtro limpio y luego tratar el filtro como un accesorio fijo. En un armario real, el filtro, la rejilla, el disipador de calor, los codos y la vía de fuga forman una curva del sistema. Cuando el filtro se carga, esa curva se mueve hacia arriba y el ventilador se estabiliza en un nuevo punto de funcionamiento a menos que la velocidad, la capacidad de presión y la potencia del motor tengan margen de sobra.

Esto es importante en controles, electrónica de potencia, telecomunicaciones y gabinetes industriales donde la protección contra el polvo es parte de la confiabilidad. Una tendencia descendente del flujo de aire puede deberse a una restricción más que a un ventilador defectuoso, y simplemente aumentar la velocidad puede cambiar el flujo de aire perdido por más ruido, más calentamiento del motor y una vida útil más corta de los rodamientos.

La trampa es que un número de caída de presión parece una especificación. No lo es: es una entrada a una curva. El resto de este artículo establece lo que realmente publican los fabricantes de filtros, lo que los estándares de filtros definen y dejan abierto, y cómo convertir un aumento de presión medido en el flujo de aire que realmente obtendrá.

La resistencia del filtro pertenece a la curva del sistema.

Greenheck describe la resistencia del sistema como la pérdida combinada a través de componentes como filtros, compuertas, serpentines y accesorios, y su guía de rendimiento del ventilador señala que los filtros sucios aumentan esa resistencia y cambian el flujo de aire a una velocidad constante del ventilador. ASHRAE trata la selección del ventilador de la misma manera: la capacidad de presión del ventilador debe coincidir con la pérdida de presión del sistema en las condiciones de diseño, no con una cifra de flujo de aire principal.

La curva de un sistema es simplemente la presión que exige la ruta del aire en función del flujo. Dibuje la curva del ventilador y la curva del sistema en los mismos ejes y su intersección es el punto de operación. Todo lo que agrega resistencia (medios, rejilla, curvatura, aletas del disipador de calor, una abertura de tamaño insuficiente) levanta la curva del sistema y mueve esa intersección hacia abajo y hacia la izquierda.

Se siguen dos consecuencias. Primero, el flujo de aire instalado es siempre menor que la cifra de aire libre y el espacio no es un defecto. En segundo lugar, un filtro que se carga no reduce la curva del ventilador en absoluto (el ventilador no cambia), por lo que cualquier pérdida de flujo de aire es la curva del sistema en movimiento, razón por la cual el diagnóstico y la reparación son diferentes a los de un ventilador defectuoso.

Lo que publican los fabricantes de ventiladores con filtro sobre el flujo de aire que obtendrás

Los fabricantes de ventiladores con filtro para gabinetes publican su flujo de aire en más de una resistencia, lo que convierte la teoría en un número verificable. Rittal ofrece el TopTherm SK 3244100, una unidad de 323 mm con un impulsor diagonal, con un rendimiento de 700 m3/h sin obstáculos con la estera de entrada de fibra cortada de serie, y con un solo filtro de salida se reduce a 485 m3/h. Eso es aproximadamente un tercio del flujo de aire eliminado solo por la ruta de escape, con ambos filtros limpios.

La misma unidad muestra un segundo efecto. Equipado con un filtro de entrada plisado en lugar de una estera de fibra cortada, su rendimiento es de 855 m3/h, aproximadamente una quinta parte más de aire, porque el plisado pone más superficie de medios en el mismo marco. La geometría de los medios no es un detalle; es la diferencia entre dos cifras de flujo de aire publicadas para un ventilador.

Pfannenberg publica el mismo par de números. Su PF 66.000 está catalogado en 640 m3/h sin obstáculos y 445 m3/h en combinación con el filtro de escape en la versión IP 54 - aproximadamente un 30 % de pérdida - y a 770 m3/h contra 490 m3/h en la versión IP 55, aproximadamente un 36 % de pérdida. Su PF 67000 SL tiene un rendimiento de 725 m3/h sin obstáculos frente a 580 m3/h en combinación, y el PF 65000 R para exteriores tiene un rendimiento de 297 CFM frente a 224 CFM.

Observe lo que cambia entre las columnas IP 54 e IP 55 del PF 66.000: no el ventilador, sino el medio filtrante, de una estera estándar a una estriada. Por lo tanto, la clase de protección que especifique cambia el flujo de aire que obtiene, y ambas cifras son datos publicados legítimos para el mismo hardware. Por este motivo, el objetivo de caudal de aire debe indicarse junto con el filtro y la clase de protección, nunca solo.

Tres estados de filtro para especificar, no uno

Una especificación de ventilador utilizable separa el estado de limpieza, el estado de carga normal y el estado final o de alarma. El estado limpio protege el arranque y el flujo de aire inicial. El estado de carga normal representa el intervalo de mantenimiento, que para un gabinete en una planta polvorienta puede ser la mayor parte de la vida útil de la unidad. El estado final demuestra que el equipo se mantiene dentro de sus límites térmicos hasta que se alcance la alarma o el reemplazo programado.

Para cada estado, registre el flujo de aire, la presión, la velocidad del ventilador, el voltaje de suministro, la corriente, la potencia de entrada, el ruido y la temperatura de los componentes críticos. Si un controlador aumenta la velocidad a medida que se carga el filtro, verifique la velocidad máxima, el margen térmico del motor, el límite acústico y la vida útil del rodamiento a esa velocidad, no a la nominal.

Una estrategia de flujo de aire constante preserva el enfriamiento, pero no elimina el costo eléctrico y acústico adicional de la restricción. Convierte un problema térmico en un problema de energía y ruido, lo cual es un comercio legítimo sólo si alguien lo ha comprobado.

• Indique el objetivo de flujo de aire junto con el grado del filtro, la clase de protección y el flujo de aire al que se aplica el objetivo.
• Utilice la curva de caída de presión del fabricante del filtro a la velocidad frontal real, no un solo valor de catálogo.
• Mantenga las columnas limpias, cargadas y finales en una tabla para que el margen sea visible de un vistazo.

Cómo se mueve el punto de operación cuando se carga el filtro

Tomemos un ventilador cuya curva es cercana a P = 300 - 0,008333 Q2 en Pa y CFM, que se apaga a 300 Pa y alcanza unos 190 CFM en aire libre. Supongamos que el gabinete limpio exige 180 Pa a 120 CFM, por lo que la curva del sistema limpio es 0,0125 Q2 y el ventilador entrega exactamente el punto de diseño.

Ahora deje que se cargue el filtro de entrada. Un medio plisado que comienza en 50 Pa a 120 CFM puede alcanzar razonablemente 110 Pa al final de su intervalo de servicio, lo cual es un aumento modesto para un filtro que se acerca a su punto de reemplazo. El resto del recorrido del aire no cambia, por lo que la demanda del sistema en 120 CFM se convierte en 240 Pa y la curva del sistema cargado es 0,0167 Q2.

Al resolver las dos curvas juntas se obtiene el nuevo punto de funcionamiento: aproximadamente 110 CFM a 200 Pa. La resistencia del sistema aumentó en un tercio, pero el flujo de aire cayó aproximadamente un 9 %. Esa brecha no es una curiosidad: es la razón por la que una lectura de presión no se puede convertir en una pérdida de flujo de aire sin la curva del ventilador. Una curva de abanico plano pierde menos flujo para un aumento de presión determinado; uno empinado pierde mucho más.

Hay un segundo resultado que vale la pena comprobar antes de que sorprenda a alguien. La potencia aerodinámica que ofrece el ventilador es aproximadamente el flujo multiplicado por la presión, y en este ejemplo apenas se mueve: unos 10,2 W limpio frente a 10,3 W cargado. La restricción no recompensa al aficionado con una tarea más fácil. Absorbe el trabajo, por lo que la corriente de entrada puede permanecer cerca de su valor de filtro limpio mientras el flujo de aire cae silenciosamente.

La Figura B muestra el mismo gabinete con los medios cargados. La caída de presión de entrada aproximadamente se ha duplicado, la curva del sistema ha subido y el punto de funcionamiento se ha deslizado hacia abajo en la curva del ventilador sin cambios. Menos partículas de aire llegan al equipo por unidad de tiempo y nada en el ventilador se ve diferente.

Qué solucionan los estándares de filtrado y qué te dejan a ti

ISO 16890 reemplazó a EN 779 como estándar de filtros de ventilación general y clasifica los filtros por su eficiencia fraccionaria frente a tres bandas de tamaño de partículas, informadas como ePM1, ePM2.5 y ePM10. Un filtro pertenece a un grupo solo si su eficiencia MÍNIMA alcanza el umbral: ePM1 necesita ePM1,min de al menos 50 %, ePM2.5 necesita ePM2.5,min de al menos 50 %, ePM10 necesita ePM10 de al menos 50 %, y cualquier valor por debajo de eso es ISO grueso.

El valor informado y el grupo se calculan de manera diferente y confundirlos es un verdadero riesgo de adquisición. La cifra de ePM reportada es el promedio de la eficiencia inicial y mínima, redondeada hacia abajo al 5% más cercano, mientras que el grupo se decide solo por el mínimo. El ejemplo elaborado publicado lo deja claro: un filtro con ePM1,min de 49,5 % y ePM2,5,min de 60,7 % no es ePM1 en absoluto, y se declara 75 % ePM2,5 porque su promedio de ePM2,5 es 79,1 %, redondeado hacia abajo.

La norma también define las medidas de caída de presión. La caída de presión inicial se mide al 50 %, 75 %, 100 % y 125 % del flujo de aire nominal y se corrige a una densidad de aire de 1,20 kg/m3, lo que es un reconocimiento explícito de que la relación entre el flujo y la caída de presión es una curva en lugar de un número. Luego, la carga se realiza a un flujo de aire constante con polvo de prueba ISO 15957 L2 a una concentración aguas arriba de 140 mg/m3, y se detiene cuando la caída de presión alcanza 200 Pa para filtros gruesos o 300 Pa para filtros ePM10, ePM2.5 y ePM1. El polvo capturado hasta ese momento es la capacidad de retención de polvo.

Esos puntos finales pertenecen al laboratorio, no a su gabinete. Es posible que un filtro que alcance 300 Pa en un conducto de prueba ya haya dejado sin componentes electrónicos o que tenga mucho margen, dependiendo de la curva del ventilador y la carga de calor. El estándar ofrece una forma repetible de comparar filtros; no le indica cuándo su recinto deja de ser seguro.

Tampoco puede darle una vida útil en meses. La prueba de carga utiliza un polvo en una concentración, por lo que una capacidad de retención de polvo no se puede convertir en un intervalo sin conocer la concentración de polvo en la instalación. Para un gabinete en una fundición y un gabinete en una sala limpia, el mismo filtro puede diferir en un orden de magnitud en el tiempo para alcanzar la misma caída de presión.

La caída de presión no aumenta simplemente con el flujo de aire

Debido a que el estándar mide la caída de presión inicial en cuatro caudales de aire, un único valor de catálogo solo es válido para el flujo de aire en el que se midió. Reutilizarlo a una velocidad frontal diferente es una fuente común de margen optimista: los medios más densos y la velocidad frontal más alta aumentan la resistencia, y un elemento más profundo o más plisado la reduce para el mismo flujo de aire al distribuir el mismo aire sobre más área.

La regla práctica es obtener la curva de caída de presión del fabricante en todo el rango de interés y leerla en el flujo de aire real, en lugar de asumir un exponente. Una relación cuadrática es una primera estimación razonable para las pérdidas en conductos, curvas y aberturas, donde el flujo es turbulento y dominan los efectos de inercia; un medio filtrante se comporta de manera diferente, con efectos viscosos que soportan más resistencia, por lo que la curva es más plana con un flujo bajo y se vuelve más pronunciada a medida que aumenta la velocidad. Suponiendo que la forma incorrecta mueve el punto de operación previsto, y el error es mayor cuando el filtro representa una gran parte de la resistencia total.

La zona de la cara es la palanca con mejor retorno. Duplicar el área del filtro reduce a la mitad la velocidad frontal, lo que reduce la caída de presión a mucho más de la mitad, a costa de espacio en el marco en lugar de potencia del ventilador. En un recinto, este suele ser el único cambio disponible que mejora tanto el flujo de aire como el intervalo de mantenimiento al mismo tiempo.

• Lea la curva de caída de presión en el flujo de aire al que realmente funcionará el gabinete.
• Solicite la curva y no solo el valor inicial, para poder trazar el estado de carga.
• Prefiera más área de filtro a más velocidad del ventilador cuando ambas cosas sean posibles.
• Compruebe que el grado del medio y la clase de protección que necesita no cuesten ya una quinta parte del flujo de aire, como lo muestran los datos publicados del filtro-ventilador.

El umbral de alarma es una decisión sobre el equipo, no un número de filtro.

Una alarma de presión diferencial sólo es útil si se activa lo suficientemente temprano para que alguien actúe y lo suficientemente tarde como para no disparar constantemente. Colgarlo en la caída de presión final del fabricante del filtro es simple y generalmente incorrecto, porque ese valor es un punto final de clasificación en lugar de una declaración sobre su margen térmico.

El umbral correcto viene de la otra dirección: establezca el flujo de aire en el que el componente crítico se acerca a su límite, encuentre la caída de presión que produce ese flujo de aire en su gabinete y coloque la alarma por debajo de él. Esto es una prueba, no un cálculo, porque depende del disipador de calor, del recorrido interno del aire y de dónde se encuentra el sensor de temperatura.

Un umbral de presión fijo también se rompe tan pronto como el punto de ajuste del flujo de aire se vuelve variable. Si un controlador reduce la velocidad por la noche debido al ruido, la caída de presión del filtro cae con el flujo y un umbral fijo se vuelve insensible; si aumenta la velocidad para una carga de calor, el mismo umbral se activa antes. La disposición robusta combina la caída de presión del filtro con la velocidad ordenada y una lectura de temperatura, y alarmas en la combinación.

La práctica de medición también importa. Se debe seleccionar un transductor con una precisión que sea pequeña en comparación con la banda entre los valores de limpieza y alarma, montarse de modo que sus líneas de impulso no se llenen de polvo o condensación y ponerse a cero en el momento de la puesta en servicio. Un umbral de alarma colocado cerca de la lectura limpia se disparará ante un cambio de presión ambiental, no ante el polvo.

No solucione un problema de filtro sólo con la velocidad

Aumentar la velocidad es la respuesta obvia a la caída del flujo de aire, y la aritmética detrás de esto es implacable. Para el mismo ventilador, el flujo de aire aumenta con la velocidad y la capacidad de presión aumenta con el cuadrado de la velocidad, por lo que la potencia del eje aumenta con el cubo. En el ejemplo trabajado, el flujo de aire había caído aproximadamente un 9 %; para recuperarlo se necesita alrededor de un 10 % más de velocidad, lo que según las mismas relaciones cuesta aproximadamente un 32 % más de potencia del ventilador.

Ese es el mejor caso. El ventilador también hace más ruido, el motor se calienta más y la vida útil del rodamiento a la nueva velocidad no es la vida indicada a la nominal. Si el ventilador ya estaba cerca de su límite de presión, la velocidad adicional lo mueve hacia el extremo de bajo flujo de su curva, donde el mismo ventilador produce más ruido y menos margen útil en lugar de un mejor resultado.

Los cambios mecánicos suelen pagar mejor. Más área de filtro reduce la velocidad frontal y la caída de presión juntas. Un mejor sellado evita que el aire pase por alto el medio, lo que de otro modo costaría tanto el flujo de aire como la filtración para la que se compró el filtro. Una entrada más suave y una ruta de aire más corta y recta eliminan las pérdidas que ninguna velocidad puede recuperar de manera eficiente. Cuando el gabinete realmente necesita más capacidad de presión, la respuesta honesta es un ventilador diferente en lugar de una configuración más rápida del anterior.

Cualquiera que sea la ruta elegida, la comparación debe realizarse con la misma carga térmica y el mismo intervalo de mantenimiento. Comparar un flujo de aire con filtro limpio con un flujo de aire con filtro cargado es cómo un ventilador que parece adecuado en el papel termina sin funcionar.

Lecturas a tomar durante la prueba.

Una prueba de carga de filtro es barata de realizar y costosa si se equivoca, porque una sola lectura faltante generalmente significa repetirla. El recinto debe estar equipado en los mismos puntos en todas partes, para que los estados limpio y cargado sean realmente comparables.

El flujo de aire debe medirse donde sea posible, con el método indicado, ya que una medición transversal de la velocidad de entrada y una medición del conducto dan respuestas diferentes y ninguna de las dos es una calibración. La caída de presión del filtro se debe tomar en todo el medio, no en todo el gabinete, para que la lectura pueda compararse con la curva del fabricante. Las temperaturas de los componentes deben registrarse en los dispositivos críticos y en la entrada y salida de aire, en un reloj.

Qué puede ofrecer MEGA Tech y qué necesitamos de usted

Somos un fabricante de ventiladores de refrigeración personalizados. Seleccionamos y construimos ventiladores de refrigeración axiales DC y EC, y unidades centrífugas curvadas hacia atrás donde la presión que exige el serpentín o el filtro supera lo que un ventilador axial puede soportar con ese flujo de aire. La selección se realiza en función de una función establecida (el flujo de aire y la presión estática en ese flujo de aire) en lugar de un número de pieza, y podemos suministrar una muestra representativa de la producción para que la validación se realice en su gabinete con el filtro instalado, no en un banco de aire libre.

Para cotizar un ventilador para un gabinete filtrado necesitamos el flujo de aire y la presión estática en ese flujo de aire para el estado limpio y para el estado cargado, junto con la curva de caída de presión y la caída de presión final del filtro que pretende utilizar. También necesitamos la temperatura del aire y la altitud para la corrección de densidad, el voltaje de suministro y su tolerancia, la interfaz de control, retroalimentación y alarma que desee, la disposición del conector y el arnés, el espacio y el montaje disponibles, el objetivo de ruido y el punto en el que se mide, el entorno, incluido el polvo y la humedad, y la vida útil esperada con sus suposiciones.

Nuestro alcance termina en el ventilador de refrigeración y su interfaz. No suministramos el medio filtrante ni la carcasa del filtro, el gabinete en sí, la unidad de enfriamiento del gabinete o el intercambiador de calor, el controlador de la unidad o su firmware, ni la certificación de seguridad e ingreso del gabinete terminado. Decir esto no es una limitación que estemos ocultando; es lo que hace que la cita sea utilizable, porque deja claro qué partido responde por qué número.

No le diremos que un candidato es equivalente porque el tamaño del marco coincide. Dos ventiladores con el mismo marco de 92 mm pueden diferir en un factor de capacidad de presión en el flujo de aire que necesita, y la comparación debe realizarse a la misma presión, la misma velocidad y la misma densidad del aire. Ésa es la razón por la que se debe anotar la tarea de carga del filtro antes de elegir un ventilador.

Preguntas frecuentes para ingenieros: filtros, caída de presión y ventiladores de refrigeración

El filtro es parte del sistema térmico, no un accesorio para el polvo atornillado al exterior.

P: ¿Por qué disminuye el flujo de aire cuando un filtro se ensucia? R: La carga aumenta la resistencia del medio, por lo que la curva del sistema se mueve hacia arriba. Luego, el ventilador alcanza un nuevo punto de funcionamiento con un flujo menor, a menos que la capacidad de velocidad o presión lo compense.

P: ¿Puedo utilizar la caída de presión limpia durante toda la vida útil del producto? R: No. Utilice el valor limpio para la condición inicial y obtenga un valor cargado o final del fabricante del filtro o de una prueba de carga representativa.

P: ¿Cuánto flujo de aire pierdo si la caída de presión aumenta en un tercio? R: Depende de la curva del ventilador, no solo de la presión. En el ejemplo práctico de este artículo, un aumento de 180 Pa a 240 Pa cuesta aproximadamente el 9 % del flujo de aire en una curva de ventilador y costaría más en una más pronunciada.

P: ¿Un ventilador más grande es siempre la respuesta? R: No necesariamente. Una mayor superficie de filtrado, un mejor sellado, una menor velocidad frontal o una ruta de aire diferente a menudo reducen la resistencia de forma más económica. Comparar todo el sistema en el punto de funcionamiento real.

P: ¿Puedo hacer funcionar el ventilador más rápido cuando se carga el filtro? R: Se puede, y las leyes de los ventiladores lo ponen precio: en el ejemplo, recuperar el flujo de aire perdido necesitaba alrededor de un 10 % más de velocidad y alrededor de un 32 % más de potencia, con las consecuencias acústicas y de rodamiento comprobadas por separado.

P: ¿Cuánto margen de flujo de aire se debe reservar? R: No existe un porcentaje universal. Derivarlo de la curva del sistema cargado, la tolerancia de la carga térmica, la forma de la curva del ventilador, el rango de control, el límite de potencia y el intervalo de mantenimiento, luego verificarlo con una muestra representativa.

P: ¿Una clase de filtro más alta siempre significa una peor refrigeración? R: No por sí solo. La caída de presión depende tanto del área del medio y de la velocidad frontal como de la clase, por lo que un elemento plisado o más profundo de la misma clase puede ser más fácil para el ventilador que una alfombra plana, y por qué la curva del fabricante importa más que la letra de la clase.

P: ¿Qué se debe incluir en una solicitud de ventilador personalizado para un gabinete con filtro? R: Carga de calor, curva de caída de presión del filtro, caída de presión de limpieza y final, el objetivo del flujo de aire y el flujo de aire al que se aplica, el espacio disponible, el voltaje, el límite de ruido, el patrón de funcionamiento, el entorno y las señales de alarma o retroalimentación requeridas.

Preguntas para una revisión de diseño

Estas son las preguntas que deciden si un gabinete con filtro seguirá enfriándose correctamente dentro de dos años, y las que vale la pena analizar mientras el diseño aún puede cambiar.

• ¿Se ha indicado el objetivo de flujo de aire junto con el grado del filtro y la clase de protección, y en qué flujo de aire se mide?
• ¿Están especificados los estados del filtro limpio, cargado y final, con una caída de presión y un flujo de aire para cada uno?
• ¿La curva del ventilador cruza la curva del sistema CARGADO por encima del flujo de aire que necesitan los componentes electrónicos?
• ¿Qué caída de presión produce el flujo de aire al cual el componente crítico alcanza su límite y el umbral de alarma está por debajo de él?
• ¿La alarma combina la caída de presión con la velocidad y la temperatura, o depende de un valor fijo?
• ¿Se ha comprobado la compensación de velocidad en cuanto a potencia del motor, ruido y vida útil de los rodamientos a la velocidad máxima?
• ¿Es el área del filtro tan grande como lo permite el recinto y se indica la velocidad frontal?
• ¿El aire pasará por alto el medio en cualquier lugar, a través de un sello, un prensaestopas o una abertura sin filtrar?
• ¿Qué concentración de polvo existe en la instalación y qué intervalo implica eso en lugar del punto final del laboratorio?
• ¿Alguien ha verificado el estado cargado en una unidad real, en lugar de extrapolar desde la limpia?