Capitulo i Principios de Aire Acondicionado

Capitulo 1

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Principios del aire acondicionado

PRINCIPIOS DEL AIRE ACONDICIONADO

Las características de operación de los sistemas de aire acondicionado dentro de su ámbito, podrá interpretar la aplicación en los recintos como las residencias, edificios públ públic icos os,, salo salone ness de espec specttácul áculos os,, hot hoteles eles,, gran grande dess alma lmacene ceness de ropa ropa,, supermercados, auditorios, transportes terrestres y aéreos, inclusive naves espaciales, y todos aquellos destinados a ocuparse por personas. El aire acondicionado tiene la finali finalidad dad de produci producirr sensac sensacione ioness de comodi comodidad dad,, donde donde los factore factoress anteri anteriore oress se mantienen en ciertos límites requeridos. El objeti objetivo vo del aire aire acondi acondicio cionad nado o es contro controlar lar el product producto o manufa manufactu cturado rado,, manten mantenien iendo do una adecuad adecuada a tempera temperatur tura, a, humeda humedad, d, movimi movimient ento o y calida calidad d del aire, aire, dentro de los locales, requiriendo un estudio especial para cada caso. Así también, no está relacionado con la comodidad de las personas, pero es necesario mantener un ambien ambiente te que evita evita que los operarios operarios suden suden al estar estar trabaj trabajando ando.. La habilid habilidad ad del individuo aumenta cuando las condiciones del aire son agradables y en consecuencia también se reduce el número de errores y los rechazos de material. La temperatura del cuerpo humano depende del equilibrio entre la generación de calor y la pérdida del mismo, que resulta del metabolismo. La temperatura del cuerpo humano es mayor a la del medio ambiente de un recinto fresco o frío. Simultáneamente, el cuerpo humano disipa calor constantemente por radiación, convección y evaporación; debi debido do que que, en cond condic icio ione ness norm normal ale es la tempe empera ratu tura ra inte interi rio or del del cuer cuerpo po es aproximadamente de 37ºC, mientras que la parte exterior de su piel es de 21ºC, para tener la sensibilidad del proceso de frío y de calor y en caso de generar calor se equilibra con sus pérdidas. En este este capi capitu tulo lo se mues muestr tra a el func funcio iona nami mien ento to de los los sist sistem emas as de aire aire acondicionado acondicionado,, las aplicaciones aplicaciones mas utilizadas utilizadas y diversos diversos intercambio intercambioss térmicos térmicos con el medio ambiente.

1.1.- DEFINICIÓN DE AIRE ACONDICIONADO El aire aire acondic acondiciona ionado do es la técnica técnica que compren comprende de el contro controll simult simultáneo áneo y continuo de los factores que afectan las condiciones físicas y químicas de la atmósfera dentro de cualquier recinto destinado a ocuparse por personas ó para fines industriales. Los factores que afectan las condiciones del medio circundante dentro de un recinto, recinto, destinado a ser ocupado por personas, personas, éstos éstos deben controlar controlar la forma efectiva y simultánea, para producir una sensación de comodidad y condiciones adecuadas para la salud de los mismos.

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Por orden de importancia los factores son: 1. 2. 3. 4. 5.

Tempe empera rattura ura Humedad Movi ovimie miento nto Dist Distri ribu buci ción ón Pureza (exenta (exenta de polvo, polvo, bacteria, bacteria, olores, olores, gases tóxicos). tóxicos).

1.1.1.- TEMPERATURA Si la temperatura del aire es menor, se incrementa el grado de convección, es decir, si el aire tiene menor temperatura, existe mayor disipación de calor. Por otro lado, si la temperatura del aire es mayor, se tiene menor flujo de aire de convección. Por lo tanto, cuando se aproxima la temperatura ambiente a la del cuerpo humano, este pierde menos calor de convección, hasta llegar llegar a una temperatura temperatura confortable confortable en un rango de 22 a 27 °C. En la convección, el calor fluye de una temperatura alta a una temperatura baja y cuando mayor es la diferencia diferencia de temperatura mayor es el flujo de calor. En este caso, cuando la diferencia de temperatura del aire y la del cuerpo humano es mayor, se tendrá un flujo de aire mayor para la convección, si la diferencia es excesiva, el cuerpo humano disipa más calor y sobreviene la incomodidad. La temperatura de superficie, que se aplica el proceso de radiación, cerca del cuerpo afecta el grado de radiación. Es decir, a menor temperatura de superficie exterior, mayor es la cantidad de calor radiada por el cuerpo y esta disminuye cuando su temperatura se aproxima a la superficie del cuerpo humano. Si la temperatura de superficie exterior es mayor que la del cuerpo humano, ahora el cuerpo humano absorbe calor y trata de disiparlo por medio de la convección y evaporación para mantenerse confortable.

1.1.1.1.- TEMPERATURA EFECTIVA Las experimentaciones realizadas por la Sociedad Americana de Ingenieros en Cale Calefa facc cció ión n y Acon Acondi dici cion onam amie ient nto o de Aire Aire (ASH (ASHRA RAE) E),, se obtu obtuvo vo la esca escala la de Condiciones Termoequival Termoequivalentes entes”, denomin “Condiciones denominada adass a las condic condicion iones es de tempera temperatura tura,, humedad y movimiento del aire, que producen las mismas sensaciones de calor. Esta escala, no solo indica la sensación de calor sino que, también determina los efectos fisiológicos sobre el cuerpo humano producidos por el calor o el frío. Por esta razón se le llama “Escala o Índice de Temperatura Efectiva”, que denota un nivel sensorial de calor. La temperatura efectiva es un índice determinado empíricamente del grado de calor o de frío, percibido por individuos normales, expuestos a diferentes combinaciones de temperatura, humedad y velocidad del aire.

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El valor numérico del índice, para ciertas condiciones del aire, se determina por la temperatura del aire saturado con un rango de velocidad de

.

4 57

a 7.6

m

min

o

ft

, para producir la misma sensación de calor o de frío. Esta condición tiene min una temperatura efectiva de 15.6 º C ( 60 F ) , y produce una sensación de calor similar a la que experimenta el aire a una velocidad lenta, pero con 15.6 º C ( 60 F ) , saturado de humedad. 15 a 25

La temperatura efectiva no se mide directamente, se obtiene de las temperaturas de bulbo seco y húmedo, agregándole el movimiento del aire. Esta temperatura efectiva son líneas que representa diferentes condiciones del aire, pero produce la misma sensación de calor.

1.1.1.2.- COMODIDAD Generalmente todos los recintos destinados a ocuparse por personas, el aire acondicionado, debe producir sensación de comodidad y los factores mencionados anteriormente, deben mantener ciertos límites requeridos.

1.1.1.3.- GRÁFICAS DE COMODIDAD. El cuerpo humano experimenta la sensación de frío o de calor en forma conjunta, la humedad relativa, la temperatura y el movimiento del aire. No han evaluado los elementos involucrados en la reacción del ser humano con el medio ambiente térmico. El concepto anterior de “Temperatura efectiva”, se utilizó como un índice para expresar el mencionado efecto sobre el cuerpo humano. En el Laboratorio de Investigación de la Sociedad Americana de Ingenieros en Calefacción, Refrigeración y Acondicionamiento de Aire (ASHRAE), se realizaron experimentos con individuos normalmente sanos, dentro de habitaciones sometidos a diferentes condiciones ambientales, al variar las temperaturas de bulbo seco y húmedo, denominada humedad relativa y el movimiento del aire. Así también, se registraron las reacciones de comodidad de dichos individuos. La figura 1.1, muestra la carta de comodidad de la ASHRAE, para aire tranquilo. Las zonas de comodidad para invierno y verano. La zona de invierno no se utiliza en cuartos con calefacción radiante. La aplicación de la zona de comodidad está limitada a casas, oficinas y lugares similares, donde los ocupantes se adaptan completamente a las condiciones del aire interior. Esta zona no es aplicable a teatros, tiendas y otros lugares en donde la permanencia es menor de dos horas, que corresponden a las curvas de temperatura efectiva, obtenidas de los resultados experimentales ya mencionadas. En Investigaciones recientes de la propia ASHRAE, han demostrado que la reacción térmica equivalente, se aproxima en forma más estrecha por medio de las líneas equivalentes de comodidad, entre 20 a 25 °C de temperatura de bulbo seco. Esta gráfica muestra que la temperatura efectiva sobreestimó el efecto de la humedad 16

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relativa sobre la comodidad. La línea aproximada de 23 °C, nos indica comodidad. Esta línea es sensiblemente recta a humedades relativas menores, en un intervalo de 30 a 80 %, no siendo este el caso a humedades relativas mayores, que son más difíciles para producir enfriamiento evaporativo.

Figura 1.1.- Movimiento del aire o turbulencia En experimentos recientes involucran las reacciones de los individuos, después de permanecer en un espacio durante una o varias horas y al ajustarse en un equilibrio. Esta es la condición más usual, para establecer la comodidad, como se muestra en las líneas de gráfica de comodidad, donde se utiliza la temperatura efectiva como índice de comodidad. Se recomienda utilizar las curvas 3, 4 5 y 6 para las diversas reacciones fisiológicas del ser humano. 3 4 5 6

Frío ligero Confortable Calor Ligero Calor

(18 º C − 21 º C ) ( 22 º C − 23 º C ) ( 24 º C − 26 º C ) ( 28 º C − 30 º C )

Esta gráfica no relaciona las variaciones de las condiciones de comodidad, si existen grandes variaciones en temperatura radiante del medio ambiente. Fundamentalmente sólo es aplicable cuando las paredes, piso y plafón, están esencialmente a la temperatura de bulbo seco del espacio considerado.

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1.1.1.4.- “TEMPERATURA MEDIA RADIANTE” (TMR). Se define como la temperatura promedio de las superficies de los muros, pisos y plafón, que se han calculado. La temperatura de bulbo seco del orden de 26.67 º C ( 80 F ) , se incrementa 0.56 º C (1 F ) en la (TMR). A medida que la temperatura de bulbo seco aumenta, se requerirá un mayor incremento en la (TMR) para producir el mismo efecto fisiológico. Es decir, que si la temperatura de bulbo seco tiene 30.56 º C ( 87 F ) , la (TMR), produce una temperatura efectiva equivalente de 31.11 º C ( 88 F ) . A altas temperaturas de bulbo seco, el efecto de la (TMR) sobre la comodidad es menos notable, que a menores temperaturas de bulbo seco, pero si hay gran discrepancia entre la temperatura de la superficie de la pared y la del ambiente, siempre deben considerarse los efectos radiantes. Por regla, para diseño se considera un incremento del rango de 0.16 a 0.56 º C ( 0.3 a 1 F ) en la temperatura de bulbo seco de la habitación, para compensar una caída de 0.56 º C (1 F ) de (TMR) en el rango convencional de calefacción.

1.1.2.- HUMEDAD RELATIVA Es la cantidad de calor que afecta al cuerpo al disiparse por evaporación, esto indica que capacidad de aire absorbe la humedad. También compara la cantidad de vapor presente, con el máximo aire que debe contener la temperatura indicada. Si la humedad relativa es menor, el cuerpo humano es capaz de disipar más calor por evaporación, que cuando es mayor esta humedad. La evaporación aumenta al bajar la humedad relativa y en caso contrario, se incrementa la humedad relativa al disminuir la evaporación. Es decir, que al tener una temperatura bulbo seco de 25°C, la humedad relativa es aproximadamente el 50%, estos datos se observan en la carta psicrométrica

1.1.2.1.- HUMEDAD DEL AIRE Y TEMPERATURA DE BULBO SECO Comparación de la diferencias de la humedad relativa y la temperatura de bulbo seco:

Humedad relativa baja; con temperatura de bulbo seco alta: No se tendrá comodidad. La evaporación de humedad en la superficie de la piel es activa provocando enfriamiento desmedido y resequedad en la superficie de la piel. Humedad relativa alta; con temperatura de bulbo seco baja : Se logra una sensación de comodidad. La evaporación de humedad de la superficie de la piel prácticamente se detiene, cesando el enfriamiento por evaporación. 18

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Límites de humedad : se mantienen gradaciones variantes de comodidad dentro de los límites de humedad anteriormente estipulados. Escala de la humedad relativa: Desde el punto de vista de disipación de calor del cuerpo humano, esta escala es variada, no tiene importancia, pero otras consideraciones imponen que el valor se encuentra entre los valores de 30 y 70%. Valores inferiores a 30%: Para valores inferiores al 30% las membranas mucosas y superficie cutánea se tornan incómodamente secas. Valores superiores a 70%: Los rangos aún a 60%, existen propensiones a sensaciones de viscosidad y de una condición pegajosa. 1.1.3.- CIRCULACIÓN DEL AIRE (MOVIMIENTO). Para buenos resultados de la circulación del aire, debe existir un incremento del grado de evaporación, que dependa de la capacidad del aire para absorber la humedad. La circulación el aire sobre el cuerpo humano, es para sustituir el aire saturado, que permite evaporar la humedad de la piel. Esta capa de aire rodea al cuerpo humano y se carga de humedad. La humedad relativa se incrementa, al grado de no absorber el vapor de agua y la evaporación del cuerpo humano se detiene. Esta circulación, evita la formación de una capa de aire saturado en su alrededor, para acelerar el proceso de la convección, donde retira el aire tibio de su alrededor, desplazando el calor disipado del cuerpo humano y elimina el calor cedido por las paredes, techo y otras superficie que se encuentran en su alrededor. El hombre en la intemperie, depende de su ropa y del tiempo para sentirse cómodo. Si la combinación de temperatura, humedad relativa y circulación del aire es adecuada, el cuerpo humano disipa calor y se siente cómodo, pero si las circunstancias son desfavorables, el cuerpo siente molestia y altera el sistema nervioso. La temperatura efectiva, decrece al aumentar la velocidad del aire, porque se incrementa el efecto de disipación de calor por convección y evaporación del cuerpo.

1.1.3.1.- CALIDAD Y CANTIDAD REQUERIDAS DEL AIRE Los requisitos del aire que se suministra a un espacio, debe estar exento de malos olores, polvo, gases o vapores tóxicos; porque el aire exterior que se inyecta a un recinto ocupado por personas, será en cantidades suficientes para contrarrestar o abatir adecuadamente los focos contaminantes. En este trabajo, se tratan los casos específicos y normas para resolver los problemas comunes, que se presentan en el área de la Ingeniería Mecánica.

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1.1.3.2.- EL MEDIO CIRCUNDANTE EN LAS INDUSTRIAS Existen varios requisitos en las diversas industrias, que impiden fijar condiciones de comodidad en el medio circundante, originando que se procuren medios adecuados para mejorar dichas condiciones, como las recomendaciones siguientes: Para espacios con temperatura alta: •

•

• •

Ventilar todas las fuentes de producción de vapor con el fin de abatir hasta donde sea posible, la humedad relativa (Ө). Obligar a los operarios que utilicen ropa ligera y si es necesario, suministrarles ropa de material aislante térmico. Inyectar aire en cantidades suficientes y a una temperatura baja. Aislar térmicamente a un grado máximo todas las fuentes de calor.

Estas temperaturas altas son inofensivas si se mantiene baja la humedad relativa (Ө), con un valor de 30%, pero con una temperatura de bulbo seco (t bs) de 57°C, los operarios tendrán una permanencia de media hora dentro del espacio. Por otro lado, alrededor de 90% (Ө) y temperatura de bulbo seco de 38 °C, son inseguras, aún para permanencias cortas de los operarios dentro del espacio. En la gráfica de comodidad de ASHRAE, que se mostró en la figura 1.1., las zonas de invierno y verano que indican comodidad, se aplican para habitantes de EUA. En invierno la aplicación es por medio de calefacción por los métodos usuales de convección y no por métodos de radiación.

1.1.3.3.- DISTRIBUCIÓN El suministro de aire acondicionado en un recinto, se distribuyen en diferentes formas, aplicando un flujo volumétrico en condiciones adecuadas, pero aún así, si los ocupantes se sienten incómodos, es porque el aire no se distribuye correctamente en el recinto. Existen cuatro tipos de dispositivos de suministro de aire que se utilizan para crear una buena distribución en el espacio acondicionado.

Parrillas y registros .- Estos dispositivos compuestos por un marco y barras paralelas, que son fijas y ajustables. Difusores de cielo raso .- Una serie de anillos concéntricos separados o persianas con un collarín o cuello para conectarlas con el conducto; son redondos, cuadrados o rectangulares. Difusores de ranura.- Es una salida larga en forma de banda con una o varias aberturas angostas, depende del numero de barras o persianas.

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Cámaras plenas de cielo raso .- Son con ranuras o perforaciones en la mayor parte o en la totalidad del cielo raso. La misma cantidad de aire suministrada se debe extraer por medio de un conducto que lo lleva nuevamente al equipo acondicionador.

1.1.4.- PUREZA Los sistemas de aire acondicionado que hacen circular el aire, filtran y eliminan las impurezas, los contaminantes, como las partículas de polvo o tierra, originados en la contaminación industrial y los gases con olores desagradables. En estas condiciones el aire continúa a la misma temperatura y humedad del recinto. La limpieza del aire es necesaria, por las siguientes razones:

Protección de la salud humana .- Las partículas de polvo se relacionan con serios padecimientos respiratorios, como la enfisema y el asma. Mantenimiento de la limpieza de las superficies y muebles del recinto. Protección del equipo de aire acondicionado .- Algunos equipos no trabajan al 100% y su vida útil es más rápida, sin la limpieza adecuada. Protección de la maquinaria de aire acondicionado.- El polvo que se acumula en los serpentines aumenta su resistencia a la transferencia de calor El objetivo de estos sistemas es controlar la circulación del aire, para aumentar y disminuir el calor y la humedad. Los términos de carga de refrigeración y calefacción se usan por simple conveniencia. Es decir, se trata de controlar la temperatura y los factores que afectan al ritmo para disipar el calor en el cuerpo humano. Estos factores se controlan al circular el aire, a una temperatura y humedad apropiada por medio de un ventilador.

1.2.- APLICACIONES DIVERSAS En la práctica los equipos de aire acondicionado y calefacción han generado sobrevivir a la humanidad, bajo condiciones climatológicas difíciles. Estos equipos implican suministros de aire atmosférico y realizar el cambio de temperatura del aire en un espacio interior, pero en cantidad suficiente para satisfacer las condiciones de vida. La calefacción implica el mantener un espacio a una temperatura mayor que la de sus alrededores.

1.2.1.- FINES INDUSTRIALES El objetivo de estos equipos en la industria, es controlar las condiciones adecuadas de temperatura, humedad, movimiento y calidad del aire dentro de las industrias de que se trate. Se requiere analizar un estudio especial para cada caso. 21

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Para procedimientos industriales, no está relacionado directamente con la comodidad de las personas, pero sí debe tomar en cuenta la aplicación en las industrias, para obtener buenos resultados en el producto. Varias industrias, tienen procedimientos mecánicos de exacta precisión y controlan su producto mejor. Así también, mantienen las condiciones ambientales de sus operarios en no sudar al estar trabajando. Las aplicaciones en la industria son extensas y se citan las siguientes: 1. Fabricación de cerillos 2. Elaboración de productos alimenticios 3. Fabricación de productos farmacéuticos 4. Elaboración de productos químicos 5. Fabricación de cigarros 6. En industrias textiles 7. Fabricación y revelado de películas 8. En las artes gráficas 9. Elaboración de plásticos 10.Salas para computadoras Existe desde luego, un campo amplio para la aplicación de estos equipos con diferentes objetivos.

1.2.2.- CONTROL DE PROCESOS INDUSTRIALES Para los procesos industriales de un producto, es conveniente conocer sus propiedades, que se divide en tres grupos:

1.2.2.1.- PROPIEDADES FÍSICAS. Para conocer estas propiedades es necesario conocer las siguientes definiciones: •

•

•

Dureza: Es de acuerdo a la función de la temperatura, que comprende a la regulación de la humedad y circulación del aire, que son esenciales. Estado: Propiedad importante en las industrias de productos comestibles, sustancias químicas y productos farmacéuticos. Humedad: El cambio de contenido de humedad relativa del aire, muestra la influencia de variar el contenido de humedad higroscópica o absorbente, definida como la capacidad de absorber agua de la atmósfera, en los productos de origen animal, vegetal, y en menor grado, en algunos minerales.

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La importancia es que el contenido de humedad higroscópica de dichos productos se encuentre en estado de equilibrio con la humedad relativa del aire que los rodea. La variación del contenido de humedad higroscópica, causa cambios en las propiedades físicas de los materiales, según la naturaleza de éstos. Es decir, cambia el peso, la resistencia, la cohesión y la plasticidad. Las propiedades electrostáticas de algunos materiales dependen del contenido de humedad higroscópica en equilibrio con la humedad del aire que los rodea. Es importante el control de las propiedades físicas de la maquinaria, que se utiliza en los procedimientos industriales. Estas propiedades físicas, son las dimensiones, forma y precisión, que no son secundarias al producto, porque en varios casos el control de estas características es esencial para la excelencia del producto.

1.2.2.2.- PROPIEDADES QUÍMICAS. Son importantes en las fábricas de productos químicos, donde la temperatura determina el tipo y la actividad de la reacción química del producto. Otra fase importante es el control de las oxidaciones. En soluciones saturadas, la rapidez con que se efectúa el descenso de temperatura determina el tamaño de los cristales que se formen.

1.2.2.3.- PROPIEDADES BIOQUÍMICAS. Se refiere al control de la propagación de los organismos vivos, para retardar o evitar el desarrollo de moho o de bacterias; también en la prevención de podredumbre. Estos organismos crecen en atmósferas calientes, húmedas y estancadas. La aplicación de una temperatura adecuada únicamente, sin la regulación propia de la humedad y circulación del aire, sería inconveniente. El problema se presenta en el almacenaje de los víveres. Los tanques de fermentación en las cervecerías son un ejemplo interesante en que la limpieza del aire es esencial para el propósito, es decir, la transmisión de las esporas que tanto afectan el grado, a que se puede regular la fermentación.

1.3.- FINES TERAPÉUTICOS Y PREVENCIÓN DE ENFERMEDADES. Esta aplicación es muy importante, pudiendo citar:

Terapia caliente.- Consiste en producir en el paciente una fiebre alta, para dominar la invasión de gérmenes patógenos en su organismo. Al paciente se le introduce dentro de un gabinete con ambiente húmedo caliente.

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Terapia fría.- El frío como agente anestésico se apoyó desde hace varios años, pero sin llegar al congelamiento de los tejidos. En pacientes a quienes se les va a amputar una extremidad, se le aplica un torniquete a la extremidad afectada y se enfría hasta cerca de los 5°C. Este procedimiento se ha realizado utilizando hielo en trozos o escamas, lo cual resulta incómodo, mojado y sucio. Por otro lado, este procedimiento de congelamiento de extremidades o lesión cutánea y para muñones de miembros, que han sido amputados, consiste en introducir al paciente en una cámara suministrando aire a una temperatura controlada. Oxigenoterapia.- Se aplica al paciente para prevenir o aliviar la anoxia, que se define como déficit de oxígeno en los tejidos orgánicos. Se aplica para neumonía, anemia aguda, descompensación cardiaca, atelectasis pulmonar, asma y asfixia. La efectividad de esta terapia, depende de la concentración del oxígeno en el aire inspirado o de la presión parcial del oxígeno en el alveolo pulmonar.

Cuartos de rayos “X”.- Estas condiciones son a base de una presión negativa, sin recircular aire, para evitar olores y produciendo un ambiente de comodidad para el paciente y el radiólogo. Quirófanos.- Se impone suministrarles un sistema completo de aire acondicionado, con un control preciso de temperatura y humedad relativa, con la finalidad de eliminar fatiga excesiva al personal médico y protección al paciente. Además, prevé el riesgo de explosión por el empleo de gases tóxicos. Se requiere un filtrado eficiente del aire. Control de desórdenes alérgicos.- El sistema de aire acondicionado, debe proporcionar un ambiente despojado de sustancias que produzcan alergias, como polvos, polen, plumas, etc., que penetran en el cuerpo por inhalación, utilizando filtros de alta eficiencia o bien del tipo electrostático y además suministrando aire deshumidificado a una temperatura confortable. Salas de recién nacidos.- A estas salas se les debe proveer de un ambiente adecuado, controlando la temperatura y humedad, además de suministrar una ventilación caracterizada por la remoción de olores y materialmente reducir la contaminación bacterial del ambiente, mediante sistema de filtrado de alta eficiencia. Se asevera que en un hospital o clínica, es imponer la instalación de sistemas de aire acondicionado, que satisfagan las necesidades requeridas para cada área, porque la innovación sobresaliente del proyecto general, es la aplicación amplísima de estos sistemas. Existen varias aplicaciones del aire acondicionado y cada vez se van ampliando, citando las más importantes, en laboratorios de prueba con animales, en la industria farmacéutica, invernaderos, salas de incubación y de nacedoras en la avicultura, fabricación de biológicos para el ser humano y para los animales, centros de producción de insectos benéficos, bioterios, almacenes para semillas, etc.

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1.4.- INTERCAMBIOS TÉRMICOS CON EL MEDIO AMBIENTE. La temperatura del cuerpo, es mayor que la del medio ambiente dentro de un recinto fresco o frío. Simultáneamente el cuerpo pierde calor constantemente por radiación, convección y evaporación. Los procesos termodinámicos fundamentales vinculados a intercambios de calor entre el cuerpo y su medio ambiente se expresan con la siguiente ecuación: M = S + E + R + C

En la tabla 1.1, se muestran las definiciones y observaciones que expresan la ecuación anterior. Tabla 1.1 Procesos termodinámicos del medio ambiente con el ser humano.

PROCESOS M

S

E

R C

DEFINICION

OBSERVACIÓN

Régimen de metabolismo o calor producido dentro del cuerpo, debido a la oxidación. Régimen de almacenamiento, variación en calor intimo del cuerpo

Este régimen se considera positivo.

Se considera positivo o negativo y depende de que si se almacena o se agota calor, debido a un incremento o descenso de la temperatura del cuerpo. En circunstancias ordinarias, cuando la temperatura de rocío del aire es Régimen de pérdida de calor inferior a la superficie del cuerpo, la evaporativo. pérdida E se considera positiva. Es decir, que el calor que proviene del metabolismo sustituye esta pérdida. Régimen de pérdida o ganancia de Las pérdidas R y C son positivas calor radioactivo cuando la temperatura de la Régimen de pérdida o ganancia de superficie del cuerpo es mayor a la de los muros y del aire y son calor convectivo negativas cuando dicha temperatura es menor.

El organismo humano tiene la facultad, hasta cierto límite, de adaptarse por sí mismo a condiciones climatológicas extremas, se denomina aclimatación a la adaptación, que es fisiológica como psicológica. Independiente de utilizar ropa adecuada, para la estación de invierno como para la de verano, a las residencias se le debe proporcionar calefacción y enfriamiento según la estación del año, respectivamente.

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Las cantidades reales de calor y humedad que emanan del cuerpo humano son de interés, porque afectan al diseño de los sistemas de aire acondicionado. En invierno, el calor y la humedad desprendidos por los ocupantes, reducen las cantidades de estas propiedades que se deben suministrar artificialmente; en cambio, en el verano son pérdidas de carga térmicas sobre los sistemas de enfriamiento y deshumidificación.

1.5.- PÉRDIDA DE CALOR DEL CUERPO HUMANO Estas pérdidas son variables, depende del mismo individuo, del grado de actividad, y de las condiciones atmosféricas, que no están dentro del rango de comodidad.

1.6.- ANTECEDENTES DE LOS SISTEMAS DE AIRE ACONDICIONADO Como sabemos el aire acondicionado proporciona comodidad de refrescarse. La refrigeración temprana fue proporcionada por el hielo de las charcas y de los ríos congelados en los climas fríos. El hielo era cosechado y almacenado en invierno y después vendido en tiempos de calor. En 1815 Frederic Tudor de Boston comenzó a comercializar en hielo, para el año de 1864 ya se conocía como el rey del hielo del mundo, el comercio del hielo se convirtió en una industria importante en los Estados unidos. La malaria fue llamada “la enfermedad del verano” en la florida tropical, un medico llamado John Gorrie nació el 3 de Octubre de 1802 en la isla de Nevis, el recibió su educación medica en Nueva York, en 1833 Gorrie emigro a la Florida. Los veranos de Floridas eran muy calurosos y el hospital portuario se encontraba saturado de marineros afligidos por malaria y fiebre amarilla. Las investigaciones en frío de Cullen, Faraday y Perkins, convencieron a Gorrie de idear un sistema de aire acondicionado para tratar a sus pacientes de fiebre, haciendo que el aire soplara sobre unos cubos de hielos. En la figura 1.2 muestra la estatua de John Gorrie determino desarrollar un sistema de refrigeración de aire frío, para suministrar aire a sus pacientes que sufrían de fiebre. John Gorrie, escribió el motor propuesto para la ventilación y el aire de enfriamiento en climas tropicales por energía mecánica. También, describió la función de su sistema de refrigeración de aire comprimido y predijo correctamente que en un futuro las frutas y las carnes serian preservados y disfrutados por todos. En 1851, recibió la confirmación de su patente No. 8080 para la primera maquina de aire acondicionado y refrigeración mecánica. Gorrie es pionero en el desarrollo del aire acondicionado, fue el primer hombre en proponer, diseñar y construir una maquina para refrescarse. Por lo tanto, se considera padre del aire acondicionado y la refrigeración. El 29 de Junio de 1855 falleció.

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Figura 1.2. Estatua de John Gorrie, Ubicada en el Santuario Hall, Washington. En el año de 1870, los sistemas de refrigeración y calefacción, empezaron a utilizarse para ventilar los edificios, siendo el principio del comercio de esta demanda de servicios, en particular para las cervecerías, fabricas de hielo y la conservación en cámaras frigoríficas. Sin embargo, existía poca demanda para la comodidad de refrescarse. El desarrollo del vapor y del equipo eléctrico, inició a mediados de 1880, pero fueron separados debido a una mejor compresión de los principios eléctricos, mecánicos y termodinámicos. La figura de 1.3 muestra la foto de Willis H. Carrier, que en 1902 desarrollo las bases del moderno aire acondicionado y desarrollo el concepto de climatización. Carrier diseño una maquina especifica que controlaba la humedad a través de tubos de enfriamiento, dando lugar a la primera unidad de climatización de la historia.

Figura 1.3. Willis Haviland Carrier, 1876-1950. El objetivo principal de Carrier era mejorar el desarrollo del proceso industrial a través de continuos cambios tecnológicos, que permitieron el control de la temperatura y la humedad. En 1922 Carrier lleva a cabo uno de los logros de mayor impacto en la 27

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historia de la industria. “La enfriadora centrifuga” este nuevo sistema de aire acondicionado hizo su debut en 1924 en los grandes almacenes de Detroit. Su éxito fue inmediato al instalarse este equipo en los hospitales, aeropuertos, hoteles y fabricas. Carrier con seis colegas crearon su propia compañía, (Carrier Engineering Corporation). En 1930 alrededor de 300 cines tenían instalado ya el sistema de aire acondicionado. En 1945 después de la segunda guerra mundial las ventas de equipos residenciales empezaron a tomar importancia en los hogares. En la actualidad gozamos de muchos tipos de aire acondicionado los cuales se mencionan algunos:

1.7.- FUNCIONAMIENTO DEL SISTEMA DE AIRE ACONDICIONADO El aire que suministra el sistema de aire acondicionado es de baja temperatura y seco en comparación a la temperatura del recinto, para absorber el calor y la humedad generada por el cuerpo humano y otros factores; como equipos eléctricos, energía eléctrica, etc. Para desarrollar este proceso, el aire debe enfriarse y ser deshumedecido, es decir, el acondicionador debe absorber calor y la humedad del aire, antes de suministrarlo en el recinto, como se muestra en la figura 1.4.

Figura 1.4.- Diagrama esquemático del sistema de refrigeración y aire acondicionado. En esta figura se muestra la unidad de ventilación, que se encuentra en la parte superior. El aire es suministrado por un ventilador tangencial, accionado por un motor de corriente alterna a velocidad constante. El flujo de aire suministrado varía desde 10 a 30 m3/min, y se controla con una compuerta mariposa vertical ubicada en el tramo del ducto antes de llegar a la sección precalentadora. Esta sección, contiene elementos de resistencias, ubicadas verticalmente sobre el ducto, que proporcionan calor para variar la carga térmica del aire a la entrada del evaporador, en consecuencia se incrementa la temperatura del medio ambiente.

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Por otro lado, también se utilizan generadores de vapor, compuesto por un tanque de agua, que se le suministra calor, también por resistencias durante varias horas continuas. El vapor generado se conduce por tubería de cobre hasta la sección del ducto en forma verticalmente. En esta sección la tubería tiene orificios intercalados en su longitud, para inyectar vapor al flujo de aire y cambiar sus condiciones ambientales de alta humedad, este proceso también se conoce como humidificación del aire. Después de haber utilizado uno u otro método de humidificación del aire, se aplica el proceso de enfriamiento mediante un serpentín dentro del evaporador, donde el aire disipa el calor al refrigerante y la humedad se condensa y se desecha al exterior, que corresponde al sistema de refrigeración por compresión mecánica de vapores. Este sistema consta de un compresor sencillo activado por un motor eléctrico de velocidad constante; de un condensador o intercambiador de calor enfriado con agua a contraflujo y el refrigerante, pero con apoyo de una torre de enfriamiento; de una válvula de expansión que controla termostáticamente el flujo del refrigerante a la salida del evaporador. Finalmente, en estas condiciones el aire a baja temperatura, sin humedad y limpio de impurezas debe circular, para absorber el calor y la humedad disipada en el recinto. La cantidad de aire que se suministra debe ser igual a la de retorno para continuar con el ciclo de filtración, enfriamiento y deshumidificación. Para el proceso industrial depende de la naturaleza del mismo o de los materiales que se manejan. Para el confort humano son dictadas por el ser humano y es necesario conocer sus funciones esenciales, debido que se considera una máquina que produce calor y depende de su actividad, para mantener su temperatura normal de 36°C. Existen tres procesos para disipar calor.

Convección.- El aire hace contacto con un cuerpo caliente para incrementar su temperatura, donde el aire tendrá menos peso y se eleva. Al mismo tiempo, el aire fresco sustituye su lugar y nuevamente se incremente la temperatura, para realizar nuevamente este proceso. Radiación.- El calor es irradiado directamente del cuerpo a las superficies más frescas de su alrededor, así también los rayos ultravioleta atraviesan el espacio para calentar la superficie de la tierra. El calor fluye de la piel hacia la pared, techo o superficie de algún cuerpo de menor temperatura. Evaporación.- El cuerpo disipa calor y la transpiración que se produce en los poros de la piel, absorbe el calor del cuerpo a medida que se evapora. La evaporación se produce continuamente, como las gotas de sudor porque está produciendo más calor del disipado. La facilidad con que el cuerpo hace la disipación de calor depende de la temperatura, humedad relativa y circulación del aire.

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Los sistemas de aire acondicionado es proporcionar un ambiente de confort a los ocupantes transitorios o para los reunidos en un espacio amplio. El confort es el resultado de un control simultáneo de la humedad, de la temperatura, de la limpieza y de la distribución del aire en el recinto de los ocupantes. Los medios decisivos para conseguir el confort se considera la mezcla de aire y la pureza. Este trabajo corresponde a la clasificación de los sistemas de todo aire es decir sólo tratamiento del aire, calefacción o enfriamiento y su objetivo es distribuir aire a los recintos, aplicando algunas variantes y aplicaciones Los sistemas de zona única, corresponde a que una unidad primero acondiciona y después distribuye un volumen constante de aire por un ducto a grupo de recintos.

1.8.- DIFERENTES UNIDADES DE LOS SISTEMAS DE AIRE ACONDICIONADO En la actualidad la clasificación de los sistemas de aire acondicionado es de acuerdo a la forma en que realizan los procesos de acondicionamiento, aplicando la refrigeración y la calefacción dentro del local que se pretende desarrollar. El diseñador debe conocer las características de cada sistema aplicado y decidir la mejor selección. La importancia de conocer los cambios de carga, las necesidades de zonificación, el espacio disponible y los costos variables que determinan los sistemas empleados. La clasificación es de acuerdo al fluido de distribución de enfriamiento o de calefacción, es decir aire o agua, como se presentan los siguientes grupos:

1.8.1.- EXPANSIÓN DIRECTA Estos sistemas se clasifican en Unitarios y Centrales; los primeros corresponden a que sus componentes están seleccionados de fábrica y empaquetados, que incluye al equipo de refrigeración, ventilador, filtros, compuertas y controles, como se muestra en la figura 1.5.

Figura 1.5.- Expansión directa, denominados como de ventana. Normalmente se colocan uno por habitación, si el local es de mayor área, se colocan varios según las necesidades. La instalación se realiza en la ventana o en el 30

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muro, como se muestra en la figura 1.6. La sección exterior requiere expulsar el aire a través del hueco del equipo, que se ajusta a sus dimensiones. Su ubicación se localiza cerca del recinto por acondicionar, además estos equipos se clasifican en Unidades de recinto, de Unidades de aire, de paquete y de techo.

Figura 1.6.- Acondicionador de Ventana. Los sistemas centrales o de remoto, tienen sus componentes separados, es decir que el diseñador o contratista los compra por separado y lo instala. Su instalación se encuentra alejada del recinto y cada uno de sus componentes puede o no pueden estar alejados, depende de la conveniencia.

1.8.2. SISTEMA TODO AIRE Su objetivo es distribuir aire a los recintos, aplicando algunas variantes y aplicaciones: Estos sistemas son de zona única, corresponde a que una unidad primero acondiciona y después distribuye un volumen constante de aire por un conducto a grupo de recintos, como se muestra la figura 1.7.

Figura 1.7.- Equipo con volumen constante y distribución por conductos y rejillas.

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Es un equipo de descarga indirecta, mediante red de conductos y emisión de aire a través de rejillas en pared o difusores en techo. Generalmente se instala un equipo para todo el conjunto de una vivienda o local. El control es individual por equipo, y se realiza de acuerdo con las condiciones de confort de la habitación más representativa. El equipo necesita una toma de aire exterior. Se puede colocar en un falso techo o en un armario, existiendo modelos horizontales y verticales, Sistema de volumen variable de aire, corresponde a un solo conducto principal, que parte de la unidad manejadora de aire, al igual que en un sistema de unísona. Sin embargo la cantidad de aire que se suministra a cada ramal varía, como se muestra en la figura 1.8.

Filtro de aire

Serpentín de precalentamiento (opcional)

Serpentín de enfriamiento

Serpentín de calefacción o recalentamiento (opcional) Aire de suministro Ventilador

Aire del exterior

A otros recintos

Retorno de aire

Recinto 1

Recinto 2

De otros recintos

Salida de aire

Ventilador de retorno de aire (opcional)

Figura 1.8.- Sistema todo aire con volumen variable de aire. Los sistemas de recalentamiento, está dispuesto de varios conductos separados, se distribuyen desde la unidad de manejo de aire hasta cada zona o recinto, que se va a controlar por separado. Los sistemas de zonas múltiples, corresponde a una unidad de manejo de aire que tiene un serpentín de calentamiento y un serpentín de enfriamiento en paralelo, así también tiene compuertas para cada proceso de salida. Los sistemas de doble conducto, contiene conductos cabezales separados para aire frío y caliente, desde los serpentines de calefacción y enfriamiento en la unidad manejadora de aire.

1.8.3.- SISTEMA TODO REFRIGERANTE Estos sistemas sólo se emplean en instalaciones de pequeña o mediana potencia y se emplean tuberías de refrigerante, que transportan el frío y el calor hasta los locales a climatizar. La diferencia entre los sistemas individuales es que este sistema de climatización es elemental formado por una pequeña unidad de habitación.

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Estos sistemas tienen una capacidad adecuada, para servir a un espacio de mayores dimensiones mediante una pequeña red de conductos de aire. Así también, son autónomas y su aplicación se desarrolla en las habitaciones pequeñas, grandes y zonas segregadas. También se instalan en residencias particulares, oficinas, establecimientos comerciales y diferentes grupos de oficinas, que constituyen zonas individuales, comúnmente se denominan mini splits, como se muestran en las figuras 1.9, 1.10 y 1.11.

Figura 1.9.- Sistema mini splits de pared

Figura 1.10.- Sistema individual de todo refrigerante

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Figura 1.11.- Unidades mini-splits piso techo.

1.8.4.- SISTEMAS DE AIRE Y AGUA. Es el sistema central de aire acondicionado, distribuye agua helada y/o caliente, hasta los recintos individuales. Estos sistemas emplean las mejores características de los dos anteriores, porque la mayor energía la transporta el agua y las cantidades de aire que se distribuyen sólo son las suficientes para la ventilación y con lo que respecta al espacio total de entrepisos y cielos rasos es pequeño, por lo tanto el aire que se maneja es a grandes velocidades, como se muestra en la figura 1.12. Aire mezclado Serpentín de enfriamiento Filtro de pantalla de algodón

Aire primario

Aire secundario inducido del recinto

Chorro de aire a alta velocidad Suministro de aire primario

Figura 1.12.- Unidad de aire y agua denominado inducción. En la figura 1.13, muestra la enfriadora modelo CVGF, que se utiliza en oficinas, hospitales, colegios, hoteles, comercios y edificios industriales. Estos equipos de enfriadoras de agua, utiliza compresor centrífugo de presión intermedia de dos etapas y refrigerante R-134a y se ha probado que proporciona mayor rendimiento energético. Así también, ofrece la combinación del evaporador, condensador y compresor y se selecciona de acuerdo a normas.

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Figura 1.13.- Enfriadora de agua con compresor centrifugo de dos etapas

1.8.5.- SISTEMA TODO AGUA (FAN AND COILS) Se utilizan en zonas comerciales por ser económicos y necesitan menos espacio de la sección transversal de tubería. Este sistema hidrónimo de enfriamiento es útil para espacios reducidos, en especial en los entrepisos y los cielos rasos. Su desventaja es tener una multiplicidad de unidades de ventilador y serpentín, que significa más trabajo y costo de mantenimiento. Estos sistemas son de menos costo, en aplicaciones a edificios altos de muchos recintos, como se muestra en la figura 1.14, que corresponde al Isométrico y la figura 1.15, corresponde al esquemático.

Unidades terminales

Bomba

Generador de agua caliente o agua fría

Figura 1.14.- Sistema todo agua para el Isométrico.

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Unidades terminales Bomba

Generador de agua caliente o agua fría

Figura 1.15.- Sistema todo agua para el esquemático. En la figura 1.16, se muestra el equipo dividido (Split), con Fan & Coils, como se encuentran en el mercado

Figura 1.16.- Unidad central con Fan & Coils. En la figura 1..17, se muestra un equipo dividido de Fan & Coils, que está integrado por las turbinas y el serpentín donde circula el refrigerante.

Figura 1.17.- Unidad central del serpentín y la turbina

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Capitulo i Principios de Aire Acondicionado

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