VENTILACION Y AIRE ACONDICIONADO INTRODUCCION: En forma general se ha venido hablando de la ventilación y el aire acondicionado, a los procesos que tienen que ver con el comportamiento del aire, tanto en la industria como en el confort de los trabajadores para que su producción sea eficiente, y en hospitales para la recuperación de los enfermos; por lo que sería más preciso hablar de Climatización en los diferentes espacios del hacer humano.
Consideraciones Básicas Climatizar no es un lujo, sino, una necesidad de higiene. Bienestar de un individuo, es el equilibrio completo de todo el régimen térmico; este equilibrio térmico no suele ser sentido por el individuo; pero si se rompe este equilibrio, el individuo suele sentir malestar en forma espontánea. El metabolismo humano sirve para mantener constante la temperatura del cuerpo, una parte de ese calor se cede al ambiente. Debido a que la temperatura del cuerpo suele ser mayor que la temperatura del aire que lo rodea. El bienestar de las personas depende de la cantidad de oxígeno disponible para la respiración; si el aire se encuentra viciado por varias personas con su contenido de oxígeno disminuido, y con el aire expirado que contiene ácido carbónico, los ocupantes de ese local sentirán malestar. El aire tiene humedad, esta humedad provoca reducción de la evaporación de agua por parte de la epidermis, debido a la elevación de la presión parcial del vapor de agua existente en la atmósfera. El aire muy seco no suele dar impresión desagradable, en comparación con la que produce el aire muy húmedo, ya que en el aire seco se tiene una respiración más profunda y regular. En general, el trabajo es mejor en una atmósfera seca que en un ambiente cargado de humedad, aunque la temperatura sea más alta. El aire contiene polvo, con un contenido de polen, bacterias, gérmenes u hongos; el polvo que es muy higroscópico, asimila agua en función del contenido de humedad de la atmósfera. En hospitales, una buena climatización acelera el proceso de curación e intensifica la capacidad de trabajo del individuo. El polvo en el aire, generalmente se encuentra en las empresas industriales y muy particularmente en zonas de gran circulación motorizada; también deberá tomarse en cuenta los gases de escape y los productos residuales de los motores de comb. Int.
CLIMATIZACION Es el acondicionamiento del aire ó proceso que tiende al control simultáneo –dentro de un ambiente delimitado- de la pureza, humedad, temperatura y movimiento de aire. Su aplicación es muy variada, por ejemplo:
En procesos de fabricación que exigen humedad, temperatura y pureza del aire determinado y controlado, como en productos farmacéuticos, alimenticios, almacenamiento de plátanos, industria tabacalera, salas de impresión a colores, floricultura, etc.
Ambientes que exigen seguridad, o sea que manejan productos tóxicos o inflamables.
Locales en los que haya que eliminar la electricidad estática, para preveer incendios o explosiones.
En hospitales para la recuperación de los enfermos, como es en sala de operaciones, rayos X, salas de recuperación, terapia intensiva, salas de esterilización, etc.
En edificios y oficinas para el confort de las personas y condiciones favorables de trabajo.
SICROMETRIA Sicrometría es el estudio de las propiedades del aire. En el estudio y proyectos de aire acondicionado, la sicrometría abarca la medida y la determinación de las propiedades del aire existente en el recinto o edificio que se va a condicionar.
PROPIEDAES DEL AIRE El aire se compone de Nitrógeno 78%, Oxígeno 21% y 1% de una mezcla de Hidrógeno, gas carbónico y Argón. Peso molecular = 28,96 gr/mol Peso específico = 1,2928 Kg/m³ Constante del aire R = 29,27 Calor específico a 20ºC y 1033 Kg/cm²
a presión constante Cp = 0,241 Kcal/KgºK A volumen constante Cv = 0,172 Kcal/KgºK
CLIMATIZACION Es el acondicionamiento del aire ó proceso que tiende al control simultáneo –dentro de un ambiente delimitado- de la pureza, humedad, temperatura y movimiento de aire. Su aplicación es muy variada, por ejemplo:
En procesos de fabricación que exigen humedad, temperatura y pureza del aire determinado y controlado, como en productos farmacéuticos, alimenticios, almacenamiento de plátanos, industria tabacalera, salas de impresión a colores, floricultura, etc.
Ambientes que exigen seguridad, o sea que manejan productos tóxicos o inflamables.
Locales en los que haya que eliminar la electricidad estática, para preveer incendios o explosiones.
En hospitales para la recuperación de los enfermos, como es en sala de operaciones, rayos X, salas de recuperación, terapia intensiva, salas de esterilización, etc.
En edificios y oficinas para el confort de las personas y condiciones favorables de trabajo.
SICROMETRIA Sicrometría es el estudio de las propiedades del aire. En el estudio y proyectos de aire acondicionado, la sicrometría abarca la medida y la determinación de las propiedades del aire existente en el recinto o edificio que se va a condicionar.
PROPIEDAES DEL AIRE El aire se compone de Nitrógeno 78%, Oxígeno 21% y 1% de una mezcla de Hidrógeno, gas carbónico y Argón. Peso molecular = 28,96 gr/mol Peso específico = 1,2928 Kg/m³ Constante del aire R = 29,27 Calor específico a 20ºC y 1033 Kg/cm²
a presión constante Cp = 0,241 Kcal/KgºK A volumen constante Cv = 0,172 Kcal/KgºK
MEZCLA AIRE - VAPOR DE AGUA El aire contiene vapor de agua en cantidades variables, en los diferentes estados climáticos del medio amiente. El aire húmedo está compuesto de aire seco y vapor de agua; este aire seco a su vez, se compone de, otros gases, principlamente oxígeno y nitrógeno y otros en menor proporción no muy variable. El único componente que si presenta variaciones significativas es el vapor de agua. La cantidad de vapor de agua presente en el aire puede ser cuantificada y caracterizada por los términos sicrométricos de: presión de vapor, humedad relativa y humedad absoluta; la temperatura del aire húmedo puede expresarse con base a la temperatura del bulbo seco o la del bulbo húmedo. Además de las propiedades de Entalpía y volumen específico.
Presión de vapor parcial (Pv) Es la presión parcial del vapor de agua en el aire húmedo. Esta presión es pequeña con relación a la presión atmosférica.
Presión del vapor saturado (Ps) Esta presión es cuando el aire está completamente saturado con vapor de agua (existen tablas de presión de vapor saturado de acuerdo a las diferentes temperaturas del aire).
Húmedad Relativa (Hr) La humedad relativa es la humedad que contiene una masa de aire, en relación con la máxima humedad absoluta que podría admitir sin producirse condensación, conservando las mismas condiciones de temperatura y presión atmosférica.
Hr
Húmedad Específica (He) La humedad específica es la cantidad de vapor de agua contenido en el aire medido en gramos de vapor de agua por gramos de aire seco.
He
GRAFICO SICROMETRICO El gráfico sicrométrico es un elemento que simplifica la medida de las propiedades del aire, eliminando tediosos cálculos que de otro modo serían necesarios. Este gráfico representa las condiciones o propiedades del aire, tales como, la temperatura, humedad y punto de escarcha. gr. de h.
Entalpía
F.C.S.
t.b.h. h.r. Punto escarcha
t.b.s. Volumen específico
TERMINOS USADOS EN SICROMETRIA Temperatura del Bulbo Seco (t.b.s.).- Es la temperatura del aire medida con un termómetro común.
Temperatura del Bulbo Húmedo (t.b.h.).- Es la temperatura del aire medida con un termómetro común, cuyo bulbo de vidrio haya sido cubierto con una gasa húmeda. La temperatura puede medirse después de haber agitado rápidamente el termómetro en el aire.
Humedad Relativa (h.r.).- Es la razón entre la cantidad de humedad existente en el aire y la cantidad máxima que este puede contener en la misma temperatura; la humedad relativa se mide o se representa en forma porcentual. Por ejemplo: El aire de un ambiente determinado con una temperatura de 21ºC posee inicialmente 3,6 gr. de vapor de agua por m³ de espacio. Si la temperatura del ambiente se conserva constante en el valor de 21ºC y agregamos vapor de agua hasta 18,1 gr, de modo que el aire ya no pueda absorber más agua, llegando a este punto, se dice que el aire está saturado y no puede contener más que 18,1 gr. de agua por m³ de espacio. Estos 18,1 gr. representa un valor de 100% de humedad relativa, por lo tanto el valor inicial de 3,6 gr. corresponde a un valor de humedad relativa de 20%, esto es,
-
Para aumentar la humedad relativa, hay que incrementar el contenido de humedad de aire o reducir su temperatura.
-
Para reducir la humedad relativa hay que disminuir el contenido de humedad de aire o aumentar su temperatura.
-
Una baja humedad relativa permite que el calor salga del cuerpo por evaporación.
Problemas:
El aire de un espacio determinado por 4x3x3 m³ contiene 108 gr de vapor de agua que corresponde a un 20% de humedad relativa, a la temperatura de 22ºC; si se desea mantener la misma temperatura, cuantos gr. de vapor de agua por m³ debemos agregar para llegar a un 100% de HR en el espacio determinado?
Un teatro de dimensiones 18x15x6 m³, se encuentra saturado de aire con 480 gr de vapor de agua, a una temperatura de 21ºC, si se desea disminuir la humedad relativa hasta un 40% a la misma temperatura, cuantos gr. vapor de agua debemos absorver?
Gramos de Humedad o humedad específica (g.h.).- Es la unidad de medida utilizada para determinar la cantidad de humedad contenida en el aire.
Temperatura del punto de escarcha (t.p.e.).- El punto de escarcha se puede definir, como la menor temperatura a la que se puede enfriar el aire sin que se produzca condensación del vapor de agua o humedad, o, dicho de otra manera más sencilla: “la
temperatura en la cual la humedad se condensa en una superficie”.
CALOR LATENTE Ql (nos da la masa de agua) El calor latente se identifica como: calor latente de evaporación, que es el calor necesario para llevar un líquido al estado de vapor; y calor latente de fusión, que es el calor que hay que extraer para cambiar al sólido en líquido.
Calor latente aplicado al aire.- Aplicando el principio de calor latente al aire, los cambios que se producen son relativos al contenido de humedad de éste.
Al añadir calor latente, el contenido de humedad del aire aumenta, pero la temperatura no se modifica. Este efecto queda representado en el gráfico sicrométrico por una línea vertical que indica aumento de humedad.
Si se extrae calor latente, el contenido de humedad disminuye, aunque la temperatura del aire sigue siendo la misma. Cualquier condición que produzca condensación sin alterar la temperatura del aire es una extracción de calor latente. Este efecto queda representado en el gráfico sicrométrico por una línea vertical que indica reducción de humedad
CALOR SENSIBLE Qs (nos da el aire seco) Se llama calor sensible, al calor que aumenta la temperatura del aire, pero sin modificar el contenido de humedad.
Calor sensible aplicado al aire.- Aplicando al aire el principio de calor sensible, los cambios que en él se producen, son los correspondientes a su temperatura.
Al añadir calor sensible, su temperatura crece sin que se altere el contenido de humedad. Este efecto queda representado en el gráfico sicrométrico mediante una línea horizontal, de izquierda a derecha.
Al extraer calor sensible del aire, su temperatura disminuye sin que se produzca alteración alguna en su contenido de humedad, Este efecto queda representado en el gráfico sicrométrico mediante una línea horizontal, de derecha a izquierda.
RELACION DE TERMINOS EN EL GRAFICO SICROMETRICO De acuerdo a las condiciones del aire, conociendo dos términos se pueden conocer los demás términos. Ejercicios: Dadas la tbs = 25,6ºC y hr = 50%, hallar los demás términos Dadas la tbs = 38ºC y tbh = 22ºC, hallar los demás términos Dadas la tbh = 18,3ºC y hr = 40%, hallar los demás términos Dadas la tbs = 20ºC y tpe = -5ºC, hallar los demás términos
Aplicación práctica de las magnitudes de humedad La humedad relativa, usada en relación con el bienestar en aire acondicionado, indica la cantidad de humedad que existe en el aire, por ejemplo:
Condiciones de confort en invierno:
T = de 22ºC a 24ºC
hr = de 30% a 35%
Condiciones de confort en verano:
T = de 23ºC a 26ºC
hr = de 45% a 50%
Ejercicios: 1.- Dadas una temperatura exterior de bulbo seco de -1,1ºC y una humedad relativa del aire exterior del 20%, hallar una combinación de hr y tbs que esté dentro de las condiciones normales de comodidad interior en el invierno. Solución: en el gráfico sicrométrico encontrar los dos puntos combinados correspondientes a las condiciones interiores y exteriores, uniendo con una línea estos dos puntos, se podrá ver las diversas modificaciones que hay que aportar para darle al aire exterior las condiciones necesarias a la comodidad del ambiente interior:
a).- Como la humedad relativa pasa del 20% al 30% habrá que añadirle al aire más humedad. b).- Como la temperatura de bulbo seco tiene que aumentar de -1,1ºC a 22,2ºC, habrá que agregar calor al aire. En este ejemplo, el gráfico sicrométrico describe una operación simple de caldeo, en la que una caldera o serpentín de calentamiento aportará calor y un humidificador le agregará agua al aire.
2.- Dadas una temperatura exterior de bulbo seco de 29,4ºC y una humedad relativa del aire exterior del 70%, hallar una combinación de hr y tbs que esté dentro de las condiciones normales de comodidad interior en el verano. Solución: en el gráfico sicrométrico encontrar los dos puntos combinados correspondientes a las condiciones interiores y exteriores, uniendo con una línea estos dos puntos, se podrá ver las diversas modificaciones que hay que aportar para darle al aire exterior las condiciones necesarias a la comodidad del ambiente interior: a).- Como la humedad relativa disminuye del 70% al 50% habrá que resecarlo al aire. b).- Como la temperatura de bulbo seco desciende de 29,4ºC a 23,9ºC, habrá que extraer calor al aire. En este ejemplo, el gráfico sicrométrico describe una operación simple de enfriamiento, en el cual un serpentín de enfriamiento extrae calor y humedad del aire exterior.
CONDENSACION EN INVIERNO Ejercicios: 1).- Dadas la temperatura del vidrio de la ventana -1,1ºC, la temperatura interior de la habitación 22,2ºC, hallar la humedad relativa con la cual no se produce condensación en el vidrio. Solución: Usar como temperatura de escarcha la de la ventana, localizando el valor de -1.1ºC, en la escala correspondiente. Luego hallar la intersección de la horizontal trazada por el punto de -1,1ºC, con la vertical trazada por la temperatura del bulbo seco de 22,2ºC, y corresponde a una humedad relativa del 20%. Esto quiere decir que con 22,2ºC de tbs y una hr del 20%, se mantendrá seca la superficie del vidrio de la ventana. Si la hr aumentase por encima de ese 20% se formará condensación.
Si en el ejercicio anterior, las condiciones normales de confort son 22,2ºC y 30% y la temperatura del aire exterior es -1.1ºC, que correspondería a la temperatura de la ventana y tomando en cuenta que con un 20% se produce condensación, se observa que para evitar condensación en la ventana, ya que en el interior tenemos una humedad relativa del 30%, para obtener esta humedad relativa, podemos recurrir a dos alternativas. a).- Aportando aire caliente a la superficie de la ventana se puede mantener dentro del recinto una humedad relativa alta, sin que aparezca condensación. b).- Agregando otra superficie de vidrio, separada de la primera por un espacio de aire, la superficie del vidrio interior podrá estar a una temperatura superior a -1,1ºC y de ese modo puede mantenerse una humedad ambiente superior al 30%, obteniendo así un nivel aceptable de comodidad.
CONDENSACION EN ESPACIOS SIN ACONDICIONAR Dadas la tbs = 32,2ºC,(89,96ºF) del espacio sin acondicionar y tbh = 23,9ºC,(75ºF) así como la temperatura de la superficie del conducto de aire frio de 15,6ºC,(60ºF) hallar la temperatura del punto de escarcha y determinar si habrá condensación en la superficie del conducto o no. Solución: La tpe = 20,6ºC(69ºF) corresponde a las condiciones del espacio sin acondicionar, que es la temperatura a la que se produciría condensación, como la temperatura de la superficie del conducto es menor (15,6ºC),(60ºF), entonces la humedad del aire se condensará en la superficie del conducto, este goteo de agua de la superficie del conducto al recinto no acondicionado puede resultar perjudicial para las zonas de paso y sobre todo si en este espacio existen maquinarias o mercancías. Para prevenir estos efectos perjudiciales, se puede conseguir, aislando el conducto con material aislante suficiente. Problemas: Dadas, la temperatura del bulbo seco de 85ºF y 69,5ºF de temperatura del bulbo húmedo, de un espacio sin acondicionar por donde atraviesa un conducto de aire frio cuya superficie tiene una temperatura de 65ºF, habrá condensación en la superficie del conducto? Por un espacio sin acondicionar que se encuentra a una temperatura del bulbo seco de 80ºF, cuyo aire contiene 110 granos de humedad por libra de aire seco, se desea atravesar un conducto de aire frio, cuya temperatura del bulbo seco en su superficie es 60ºF, se producirá condensación en la superficie del conducto?
PROCESOS SICROMETRICOS Los procesos sicrométricos, son variaciones de las condiciones sicrométricas del aire que tienen lugar en el proceso típico de acondicionamiento de aire. Estos procesos incluyen el calentamiento, refrigeración y la adición o extracción de humedad. Para tener una compresión total, así como para establecer el conocimiento correcto y la fijación mental de cada uno de los procesos sicrométricos, hay que tener presente los conceptos básicos de los cambios debidos al caldeo y a la refrigeración que se pueden interpretar en el gráfico, o sea, caldeo y enfriamiento latentes, y caldeo y enfriamiento sensibles.
Enfriamiento y Caldeo Sensibles y Latentes En un proceso de acondicionamiento de aire, en el cual se añaden al mismo tiempo calor sensible y latente, se tiene un proceso de caldeo y humidificación, esto ocurre en el invierno, cuando por lo general el aire está más frio y seco. El calor sensible sólo reduce la humedad relativa y produce aire seco, debido a la humedad escasa, hay que añadir calor latente, agregando humedad y aumentando por consiguiente la humedad relativa. En un proceso de acondicionamiento de aire, en el cual se enfría y se deshumidifica al mismo tiempo, se tiene un proceso de enfriamiento y deshumidificación, esto ocurre en verano, cuando por lo general el aire está caliente y húmedo.
Caldeo y Humidificación Por ejemplo si queremos acondicionar al aire que se encuentra a tbs = 15,5ºC (59,9ºF), tbh =7,2ºC(44,96ºF); hasta tbs = 26,7ºC(80ºF), tbh = 16,7ºC(62ºF), primero habrá de pasar por el serpentín de caldeo y luego por el rociador que debe tener las mismas condiciones de temperatura y humedad finales. Como en realidad todo ello se realiza simultáneamente, en el gráfico se puede representar por una diagonal, tal como se indica en la siguiente figura.
Enfriamiento y Deshumidificación Por ejemplo si queremos acondicionar al aire que se encuentra a tbs = 85ºF, tbh = 73,5ºF; hasta la temperatura de confort de tbs = 75ºF, tbh =62,3ºF, primero habrá de pasar por el serpentín de enfriamiento, en este proceso se extrae calor sensible y cuando el aire se acerca a la temperatura final, se procede a la extracción de calor latente. Este proceso de enfriamiento y deshumidificación se produce de modo simultáneo, en el gráfico se puede representar por una diagonal, como se indica en la siguiente figura.
CALCULOS PARA LA SELECCIÓN DE EQUIPOS Factor de Calor Sensible
Fcs = Qs/Qt
Qt = Qs + Ql
El proceso simultáneo de enfriamiento y deshumidificación ocurre con tanta frecuencia en aire acondicionado, que la línea sicrométrica que representa estos procesos se llama “factor de calo sensible” , dicha línea representa los cambios que se
producen en los calores sensible y latente; por ejemplo en una residencia, el factor de calor sensible es 0,8; esto quiere decir que el 80% del cambio es calor sensible y el 20% corresponde al latente. Dicho de otra manera, si la carga total de enfriamiento exige 10 toneladas de refrigeración, se necesitan 8 de ellas para extraer calor sensible y 2 de ellas para extraer calor latente.
Ejemplo: Conociendo la carga térmica de refrigeración de 10 toneladas (10 TR), y las condiciones buscadas para el ambiente tbs = 26,7ºC(80ºF) y tbh = 19,4ºC(66,92ºF), así como las del aire insuflado tbs = 15,6ºC(60ºF) y tbh = 14,4ºC(57,92ºF); hallar el factor de calor sensible. Solución: llevar al gráfico sicrométrico las condiciones correspondientes a los datos de temperatura del bulbo seco y bulbo húmedo, uniendo los dos puntos con una recta, se prolonga esta línea de unión hasta la escala del factor de calor sensible, situada en la
derecha del gráfico sicrométrico. En esta escala se lee el valor de 0,67, lo que indica que el 67% de la pérdida de calor corresponde al sensible. Para el ejemplo presente, el equipo deberá extraer 6,7 TR de calor sensible y 3,3 TR de calor latente. 1TR = 12000 BTU/h fcs
Problema: En un local se necesitan extraer 16500 Kcal/h (65476,19 BTU/h) de calor del aire ambiente que se encuentra a 32ºC(89,6ºF) de temperatura del bulbo seco, 60 % de HR, para acondicionar aire a las condiciones de confort en verano, cuanto de calor sensible y cuanto de calor latente, se debe extraer? Se desea climatizar un ambiente a las condiciones de confort en invierno, con 20800 BTU/h, el aire ambiente se encuentra a 14ºC(57,2ºF) de Tbs. y 9,5ºC(49,1ºF) de Tbh. Cuanto calor sensible y cuanto calor latente se debe adicionar?
Enfriamiento Evaporativo Se llama enfriamiento evaporativo al proceso mediante el cual se extrae calor sensible y latente, a la vez que se le añade humedad al aire. En el enfriamiento evaporativo se necesita un rociador, conforme va pasando el aire por el agua del rociador, el aire le va cediendo calor. Parte de esa agua se evapora, extrayendo calor del aire, con lo que este se enfría y humidifica. Este proceso puede indicarse en el gráfico sicrométrico con el siguiente ejemplo: El aire entra en el rociador a tbs = 35ºC(95ºF) y se enfria allí hasta tbs = 23,9ºC(75ºF); el contenido de humedad aumenta aproximadamente de 10,5 gr de humedad/kg aire seco hasta 15 gr de humedad/kg de aire seco, creciendo la humedad relativa del 20% al 80%. La temperatura del bulbo húmedo se conserva constante en el valor de 21,1ºC.
1 lb agua = 7000 granos de agua
15gr/Kg 80%
10gr/kr 20%
MEZCLA DE AIRE Otro de los procesos que tienen lugar en el acondicionamiento del aire y que puede indicarse en el gráfico sicrométrico, es el que corresponde a la mezcla de aire, entre el que se reacondiciona y el aire que vuelve del ambiente y regresa a la máquina de acondicionamiento. En algunas aplicaciones de aire acondicionado puede llegarse a aprovechar el 100% del aire interno, sin recurrir para nada del aire exterior. Una mezcla de aire exterior y de retorno puede representarse en el gráfico sicrométrico, determinando con facilidad la temperatura media de la mezcla resultante. Una vez conocida esa temperatura se puede determinar el tratamiento necesario y los cambios que hay que llevar a cabo para mantener las condiciones ambientales buscadas.
Ejemplo.Dadas la cantidad total del aire necesario 18200 m³/h, a tbs = 32,2ºC(89,96ºF); tbh = 23,9ºC(75ºF); la cantidad de aire de retorno es 16200 m³/h y las temperaturas de este aire de retorno es tbs = 26,7ºC(80ºF); tbh = 16,7ºC(62ºF); Hallar las temperaturas del bulbo seco y del bulbo húmedo de la mezcla. Solución: En el gráfico sicrométrico localizar los puntos del aire total y del aire de retorno y unir con una línea; a continuación se determina el porcentaje de aire de retorno y esto es,
A continuación la diferencia de temperaturas de bulbo seco entre el aire exterior y el aire de retorno es:
32,2ºC – 26,7ºC = 5,5ºC
89,96ºF – 80ºF = 9,96ºF
Luego
5,5ºC x 0,9 = 4,95ºC
9,96ºF x 0,9 = 8,96ºF
32,2 – 4,95 = 27,2ºC
89,96ºF – 8,96 = 81ºF
Desde este punto de 27,2ºC (81ºF) que se encuentra entre la línea de unión, se traza la línea de temperatura del bulbo húmedo, encontrándose que su valor es 17,4ºC(63,32ºF) que corresponde a la de la mezcla.
32,2
17,4 26,7 27,2 Problema: Dadas la cantidad total del aire necesario 10500 CFM, a tbs = 34,2ºC(93,56ºF); tbh = 24ºC(75,2ºF); la cantidad de aire de retorno es 8200 CFM y las temperaturas de este aire de retorno es tbs = 25ºC(77ºF); tbh = 15ºC(59ºF); Hallar las temperaturas del bulbo seco y del bulbo húmedo de la mezcla.
VOLUMEN ESPECIFICO Se entiende por volumen específico, la cantidad de metros cúbicos que ocupa un Kilogramo de aire en condiciones determinadas de temperatura y presión. Otra aplicación del volumen específico del aire es la relacionada con su densidad. Como la densidad del aire afecta al equipo que lo mueve, tal como ventiladores y motores, el volumen específico es importante en la relación entre el rendimiento del ventilador y el tamaño del motor: un alto volumen específico exige menos energía para mover el
ventilador y a la inversa, siempre que se mantengan las condiciones de presión y medida del ventilador. En la carta sicrométrica, la medida de los valores de volumen específico, se encuentran en la línea de la escala de la temperatura del bulbo seco y se mide en m³/kg de aire; se puede ver también que a medida que aumenta la temperatura del aire va creciendo el volumen específico, lo que quiere decir que el aire se expande al calentarse, así como es menos denso en altas temperaturas. Cuando el volumen específico es más alto se necesita menos potencia o un motor menor. Esto es cierto, dado que hace falta menos energía para mover el aire cuando este tiene una densidad baja o volumen específico alto.
Volumen específico
ENTALPIA Se llama Entalpia al contenido total de calor. En términos sicrométricos, la entalpía define el calor existente en el aire y en la humedad que este contiene, y se mide en Kcal por Kg. de aire; ó BTU por libra de aire En el gráfico sicrométrico las líneas de entalpía son las mismas que las del bulbo húmedo, lo que resulta lógico, debido a que la Entalpía depende casi íntegramente de la temperatura del bulbo húmedo.
Ejercicios:
Se enfría aire cuya temperatura del bulbo seco es 85ºF y Hr = 70%, hasta que su temperatura del bulbo seco sea 70ºF y Hr = 50%. Determinar a) el calor total removido b) el calor sensible removido c) el calor latente removido d) la cantidad de agua removida.
Se tiene aire cuya temperatura del bulbo seco es 35 ºF y Hr = 80%, se calienta y se agrega agua hasta que se tiene una temperatura del bulbo seco de 70ºF y Hr = 50%. Calcular: a) la cantidad de agua que se agrega al proceso, b) el calor total agregado, c) el calor sensible y calor latente agregados.
DETERMINACION DE LA CANTIDAD DE AIRE EN EL LOCAL La cantidad de aire que se necesita en un local para climatizar, depende del volumen del local, de la carga térmica del local, de la variación de temperaturas entre el aire del ambiente y del exterior, y de los cambios de aire por hora que requiere el local, y estos cambios son recomendaciones que se puede encontrar en el Manual de Marks o recomendaciones que tienen los fabricantes de equipos de aire acondicionado, que se han obtenido por pruebas y experiencias. Por ejemplo solo para ventilación: En viviendas se necesitan de 1 a 3 cambios por hora, dependiendo del ambiente En hospitales se necesitan de 10 a 25 cambios por hora, dependiendo del ambiente Ejercicio: Si un local tiene dimensiones de 4m x 5m x 3m, equivale a un volumen de 60 m³, si este local necesita 10 cambios por hora, entonces:
4x5x3 = 60 m³ 60 m³ x 10
= 600 m³/h
El local necesita un flujo de aire para ventilación de 600 m³/h Para determinar la cantidad de aire que se necesita mantener en un local climatizado, se debe tomar en cuenta la infiltración del aire que se produce a través de puertas, juntas y otras aberturas existentes como son conductos comunicados con el exterior para ventilación; el agente responsable de la infiltración, es la diferencia de presión entre el exterior y el interior acondicionado, causada por el viento y por la diferencia de temperatura o efecto de chimenea. La humedad que puede penetrar en el espacio acondicionado por infiltración, es otro de los factores que hay que tener en cuenta y se denomina carga latente. La que entra a través de juntas se convierte en parte de la carga ambiente o se transforma con el aire de ventilación, formando parte de la carga, debido al aire exterior.
Fórmula para la determinación de la cantidad de aire del local
caudal o cantidad de aire Cp =
calor específico del aire a presión constante
carga térmica del local
Recomendaciones de cantidad de aire exterior para renovación LOCAL
m³/h persona
Apartamentos
35
Bancos
25
Peluquerías
25
Bares
35
Oficinas en general
35
Tiendas
35
Salas de hospital
25
Teatros cines auditorios
13
Aulas
50
FACTOR DE DSVIACION (by-pass) El aire derivado o de “by -pass”, es el que pasa por el serpentín pero sin entrar en
contacto con la superficie de éste. La cantidad de aire que sigue este camino depende principalmente de la condición del serpentín y de la velocidad del flujo de aire. Por ejemplo: Si el serpentín tuviese una aleta por pulgada (2,54 cm) la cantidad de aire derivado sería mayor que en el caso de que el serpentín tuviese 8 aletas por pulgada. Si la velocidad del aire que pasa por el serpentín es baja, será mayor la cantidad de aire que entra en contacto con su superficie, que en el caso de una gran velocidad del aire.
Ejercicio: Dadas las temperaturas del serpentín 10ºC, del aire que en el entra 26,7ºC y del aire que sale 15,6ºC, hallar el factor de by-pass. Solución: se resta la temperatura del aire de salida menos la del serpentín 15,6ºC – 10ºC = 5,6ºC Se resta la temperatura del aire de entrada menos la del serpentín 26,7ºC – 10ºC = 16,7ºC Luego se divide
= 0,33 este es el factor de by-pass
Este factor de 0,33 (1/3) indica que la temperatura del aire que entra en el serpentín (26,7ºC), ha sufrido una caída de 2/3. En la práctica real estos factores se determinan mediante pruebas y cálculos, de manera que sean conocidos antes de la instalación del serpentín. Si el factor de by-pass fuese alto habría que realizar lo que se expone a continuación para obtener la temperatura requerida de salida:
Mayor cantidad de aire y menor velocidad
Conductos amplios para enviar mayor cantidad de aire
Ventiladores y motores de potencia suficiente para aportar grandes cantidades de aire.
Si el factor de bypass es pequeño, se tienen las siguientes ventajas:
Se necesita menos aire, debido a que su temperatura de salida es baja
Hacen falta conductos menores, dado que ha de pasar menor cantidad de aire
Ventiladores y motor podrán ser de menor potencia
Por lo tanto habrá que aclarar que inconvenientes podrán producir como resultado de un factor de by-pass bajo:
Una temperatura del aire de aportación puede ocasionar sensación de incomodidad en ambientes pequeños
Es probable que se necesiten serpentines grandes
Debido a la mayor área de serpentín, es mayor la cantidad de aire que entra en contacto con ella, ésta extrae calor más rápidamente y por tanto se necesitará un mayor equipo de refrigeración para mantener una temperatura baja en el serpentín
Debido a la baja temperatura del conducto de insuflación, harán falta aislamientos y barreras de vapor.
Por consiguiente, habrá que recurrir a un criterio justo y lógico para determinar la mejor combinación de equipo y condiciones de comodidad. El factor medio de by-pass para el aire acondicionado de bienestar, de acuerdo con una combinación óptima de condiciones y equipos, suele estar comprendido entre el 0,10 y 0,30.
CONFORT TERMICO La elección de la temperatura eficaz para un recinto que haya que ser acondicionado para bienestar individual depende de varios factores: La temperatura eficaz es la obtenida mediante los termométros de bulbo seco y bulbo húmedo y la velocidad del aire. Esa temperatura eficaz depende del tipo de actividad que se desarrolle en el recinto por las personas que lo ocupan. Esto quiere decir que a mayor actividad física, mayor metabolismo y por tanto menor temperatura eficaz necesaria. La edad y el sexo de las personas determina también la temperatura eficaz: por ejemplo a mayor edad, mayor temperatura efectiva; sexo femenino de menor metabolismo, mayor temperatura efectiva. Así mismo hay que tener en cuenta la época del año, por su influencia en la temperatura eficaz, ya que en el verano, esta temperatura eficaz es menor que en el invierno.
Condiciones de confort en invierno:
T = de 22ºC a 24ºC
hr = de 30% a 35%
Condiciones de confort en verano:
T = de 23ºC a 26ºC
hr = de 45% a 50%
El efecto de permanencia o choque térmico también determina la temperatura eficaz: cuanto menor sea la permanencia de una persona en el ambiente acondicionado, menor deberá ser la diferencia entre las condiciones exteriores e interiores, evitándose así el choque térmico que se produce al salir o entrar en el ambiente. Por ejemplo en teatros, cines, la temperatura eficaz deberá ser más baja, con el fin de compensar el calor cambiado por radiación entre las personas.
Recomendaciones Internas de Bienestar en Invierno LOCAL
TEMPERATURA BULBO SECO ºC
HUMEDAD RELATIVA
Cinemas y teatros
23
50
Edificios públicos
22
60
Fábricas y talleres
20
70
Gimnasios
20
70
Tiendas
21
65
Residencias
23
50
Salones de baile
21
65
CARGAS TERMICAS La carga térmica de un local se refiere al calor sensible o calor latente que hay que extraer o inyectar a un recinto, para mantener el local en condiciones de confort. Por lo tanto se consideran cargas térmicas de enfriamiento en el verano y cargas térmicas
de calentamiento en invierno. Fuentes de calor exterior: Las fuentes de calor mas considerables en la carga térmica de un local se originan en el exterior de la estructura; esto se debe al calor solar (calor sensible) que atraviesa a través de ventanas, claraboyas, paredes, divisiones, techos, etc. Por eso es muy importante la orientación del edificio. Otra fuente de calor exterior que hay que considerar es la carga térmica debido a la infiltración de aire que se produce por puertas y juntas, ductos de ventilación, etc. El agente responsable de la infiltración es la diferencia de presión entre el exterior y el interior acondicionado, causado por el viento y por la diferencia de temperatura o efecto de chimenea. La humedad (calor latente) que penetra en el espacio acondicionado, también se considera como fuente de calor exterior.
Fuentes de calor interior: Las fuentes de calor interior están constituidas por personas, luces, motores y cargas especiales. El producido por una persona (calor latente y sensible), depende de la cantidad de energía que consuma debido a su actividad; las luces producidas por lámparas y focos, son calores que están relacionados con la potencia eléctrica; Los motores eléctricos también son fuentes de calor que están en proporción a su potencia nominal.
CÁLCULO DE LAS GANANCIAS TÉRMICAS El cálculo de ganancias térmicas a través de paredes, pisos, techos, revestimientos y ventanas se realizan mediante tres etapas:
Determinación del área líquida en m²
Determinación del factor correcto de transferencia de calor ( k )
Multiplicar el valor del área por el conjunto, estando este producto expresado en Kcal/h
Fórmula para determinar la carga térmica solar por paredes, pisos, techos, revestimientos y ventanas
Q = S k ( te – ti ) Q = carga térmica por paredes, pisos, techos, revestimientos y ventanas en Kcal/h S = área libre de la superficie considerada en m² K = coeficiente total de trasmisión térmica en Kcal/m²hºC te = temperatura exterior en ºC ti = temperatura interior en ºC
Valores medios de coeficientes de trasmisión de calor (k) Paredes exteriores
k = 2,1 Kcal/m²hºC
Paredes interiores
k = 1,6 Kcal/m²hºC
Piso
k = 1,4 Kcal/m²hºC
Tejado
k = 1,7 Kcal/m²hºC
Ventana
k = 4,5 Kcal/m²hºC
Puerta
k = 3,5 Kcal/m²hºC
El cálculo de ganancias térmicas correspondiente al aire exterior, se realizan mediante los siguientes pasos.
Determinar la cantidad de aire que por motivos de ventilación, haya de ser introducido en el recinto acondicionado
Determinar la cantidad de aire que se escapa por puertas normalmente cerradas (infiltración)
Hallar el aire que se escapa por las puertas de vaivén
Determinar el aire que sale por los conductos de ventilación
Fórmulas para determinar la carga térmica por aire exterior
Qaex = D ( he – hi )
(sensible y latente)
Qaex = D Cp ( te – ti ) Qaex = carga térmica por el aire exterior en Kcal/h D = cantidad de aire exterior en Kg/h
(sensible)
he = entalpía del aire exterior en Kcal/Kg hi = entalpía del aire interior en Kcal/kg te = temperatura exterior en ºC ti = temperatura interior en ºC Cp = 0,24 Kcal/kg.ºC
Carga Térmica producida en locales en Kcal/h persona Locales
Calor sensible
Calor Latente
Calor Total
Teatros
50
40
90
Oficinas
50
65
115
Salas de baile
60
160
220
Bares
120
250
370
Motores
700 Kcal/h x HP
Máquinas de café
200 Kcal/h x litro
50 Kcal/h x litro
250
Aparatos eléctricos
0,86 Kcal/Wattio.h
Recomendaciones de cambios de aire / hora en locales Salas de vivienda
1a3
Cuartos de baño
2a4
Hospitales Sépticos y sanitarios
20
Cirugía
25
Partos
25
Terapia Intensiva
15
Salas de hospitalización
10
Esterilización
15
Recomendaciones de Cantidad de aire para renovación (densidad aire = 1,29 Kg/m³) Apartamentos
35 m³/h persona
Bancos
25
“
Bares
25
“
Tiendas
13
“
Restaurantes
35
“
Aulas
50
“
Residencias
35
“
Oficinas en general
25
“
Salas de hotel
20
“
Peluquerías
25
“
Casinos parrillas
35
“
Fórmulas para determinar la carga térmica latente y sensible por aire exterior en función de la humedad y temperatura
Calor latente
(BTU/h)
Q L = 0,69 x CFMx ∆w
Calor sensible
(BTU/h)
Q S = 1,1x CFMx ∆T
∆w = granos de agua/libra de aire seco ∆T = diferencia de temperaturas exterior - interior, en ºF CARGAS TERMICAS QUE SE DEBEN CONSIDERAR EN VERANO
Penetración por paredes, piso y techo Q = k x s x (te – ti) (Deberá considerarse toda la superficie exterior de paredes o divisiones)
Carga solar directa a través de paredes, techo y ventanas Q = k x s x (te – ti) (te – ti) (diferencia de temperaturas equivalente, correspondiente al efecto de insolación; este valor depende de la orientación de la fachada, la latitud y hora)
Carga debida a las personas
Carga debida a las luces, iluminación Q = 0,86 x w (wattios de los focos)
Carga debida a motores eléctricos Q = HP x 632 Kcal/h
Carga debida a aparatos y equipos diversos
Cargas debida a la ventilación (según los cambios de aire recomendados)
CARGAS TERMICAS QUE SE DEBEN CONSIDERAR EN INVIERNO
Pérdidas de calor por paredes, pisos, ventanas y techos Q = s x k x (ti – te)
Pérdidas a causa del aire exterior Q = D x 024 (ti – te) ( según los cambios por hora recomendados)
La carga térmica total es la suma de las dos componentes, ya que las cargas de calentamiento debido a los motores, lámparas, personas, etc. se consideran integrantes negativos.
DISEÑO DE DUCTOS (existe un software libre llamado DuctSizer v6.4 por McQuay) Un sistema correcto de distribución del aire, es el que permite no solo un equilibrio satisfactorio del sistema, sino que al mismo tiempo ha de mantener las mejores condiciones de comodidad en el espacio acondicionado. El procedimiento seguido para calcular el sistema consta de las siguientes etapas:
Selección del tipo de sistema de conductos, previo estudio de la planta del edificio correspondiente; esto quiere decir que hay que considerar el tipo de cimientos, número de pisos, área total, espacios disponibles para la instalación de ductos, localización particular de cada ambiente.
Localización de las rejillas o bocas de insuflación y retorno de acuerdo a las necesidades del ambiente, sus medidas y tipos
Determinación de la cantidad de aire de cada local, mediante el proceso analítico utilizando la fórmula; o por el proceso gráfico, mediante tablas o reglas de cálculo
Cálculo de las rejillas de insuflación y retorno, pueden ser rectangulares o circulares
Cálculo de los sistemas de conductos de insuflación y retorno, pueden ser redondos o rectangulares
Nota: existen tablas y reglas de cálculo que proveen los fabricantes de equipos de Aire Acondicionado, para calcular las dimensiones de las rejillas y dimensiones de los ductos, en función de la cantidad de aire necesario para el ambiente acondicionado. Para el dimensionamiento de ductos, el más comúnmente usado por algunos fabricantes de aire acondicionado, es el método de fricción constante. En donde la pérdida de fricción se basa en una constante, por cada 100 pies de conducto (30 metros aproximadamente). Este método sigue una secuencia definida que exige el empleo del gráfico patrón de fricción.
Velocidades recomendadas del aire en metros/minuto En conductos principales:
En conductos verticales:
residencias
200 a 280
escuelas, teatros, edificios públicos
300 a 400
edificios industriales
350 a 550
residencias
150
escuelas, teatros, edificios públicos
180 a 210
edificios industriales
250
Niveles de Ruido La construcción de la voluta, la velocidad de salida del aire y la del aspa (rpm) afectan al nivel de ruido producido por el ventilador. Por lo general, a una gran velocidad de giro le corresponde un ruido alto. Cuando se empleen ventiladores en instalaciones de bienestar personal, en las que debe mantenerse bajos niveles de ruido, la velocidad de salida del aire del ventilador habrá de mantenerse lo más reducida posible, con el fin de que el ruido sea mínimo.
Niveles de Ruido normales en locales en decibeles (dB) Bancos
55 a 60
Cines
35 a 40
Edificios públicos
55 a 60
Oficinas en general
60 a 70
Fábricas
77 a 90
Hospitales
40 a 55
Tiendas
50 a 60
Museos bibliotecas
40 a 45
Restaurantes
60 a 70
Teatros
30 a 35
TRANSFORMACIONES Se emplean las transformaciones para unir dos conductos de diferente forma o sección recta. Cuando se modifica la forma del conducto rectangular, permaneciendo igual su sección recta, se recomienda una pendiente del 15% para las piezas laterales de la transformación, si esta pendiente no pudiera realizarse, no deberá sobrepasar un máximo del 25%. Con frecuencia debe reducirse el tamaño de los conductos para salvar un obstáculo; en este caso es una buena norma no reducir su sección más de un 20%. La pendiente más recomendable para reducir la sección del conducto es la de 15%. Cuando sea imposible llegar a este valor puede aumentarse la pendiente de la transformación no debe pasar del 25%
RELACION DE FORMA La relación de forma, es la relación entre las dimensiones mayor y menor de la sección de un conducto rectangular. Esta relación es un factor importante a tener en cuenta en el proyecto inicial. Aumentando esta relación aumenta no solamente el precio de costo, sino, también los gastos de instalación y funcionamiento del sistema. El costo de instalación depende de la cantidad de material utilizado, de la dificultad en la fabricación y colocación del conducto en la obra.
OBATACULOS Las tuberías, conducciones eléctricas, elementos estructurales y otros obstáculos, deben evitarse siempre en el interior de los conductos, especialmente en los codos y las T; en conductos de gran velocidad deben evitarse toda clase de obstáculos. Estos originan pérdidas innecesarias y en los sistemas de alta velocidad pueden ser fuente de ruidos en la corriente de aire
CODOS En los conductos circulares y rectangulares puede establecerse distintos tipos de codos: codos ordinarios, codos reducidos con aletas directrices y codos rectos con aletas. Los codos ordinarios se construyen con el radio menor o igual a los ¾ de la dimensión del conducto en la dirección del giro. Un codo con este radio menor tiene una relación R/D de 1,25. Esta relación es considerada óptima
CALCULO DEL VOLUMEN DE OBRA Cálculo de Ductos de Aire Acondicionado Dimensiones del Ducto
Calibre
Espesor
Peso
a
26
1/48”
0,96 lb/pie²
≤ 14”
15” ≤ a ≤ 30”
24
1/40” 1,156 lb/pie²
31” ≤ a ≤ 54”
22
1/32” 1,406 lb/pie²
55” ≤ a ≤ 84”
20
1/24” 1,656 lb/pie²
a ≥ 85”
18
1/16” 2,156 lb/pie²
Nota: recomendación de aumento entre 15% y 20 % en peso, por dobleces y desperdicios. a L b
A = 2L (a + b)
a c b
A = +
Ld
b a A = ( 2a + 2b ) x Rr
a
R=r+a
La b
c
A = ( 2a + c + b ) x L
PROYECTO INTRODUCCION Hablar sobre la necesidad de climatizar los hospitales, las áreas críticas que se deben climatizar, hablar del bienestar físico del cuerpo humano.
DATOS DE DISEÑO Condiciones exteriores: temperaturas del bulbo seco y humedad relativa, condiciones interiores de confort, presión barométrica del lugar, niveles de ruido.
ESTUDIO DEL EDIFICIO O DE LA PLANTA ARQUITECTONICA Localización, orientación del edificio; puntos cardinales, efecto del sol, velocidad del viento, estructura o material de construcción, dimensión de los locales o áreas a climatizarse, altura del techo, espacio libre entre el cielo razo y la losa o vigas, ventanas, puertas, ocupantes, alumbrado, máquinas, etc. Que áreas deben climatizarse y que áreas deben aplicarse solo ventilación o extracción; Recomendaciones de cambios por hora para ambientes de los hospìtales, normas generales de inyección y extracción de aire para mantener la temperatura de confort en los diferentes ambientes; ubicación de la Unidad Manejadora de Aire y de los ventiladores extractores.
CARGAS EXTERIORES Rayos solares que entran por las ventanas, que inciden en las paredes, puertas, techos; temperatura del aire exterior, aire exterior necesario para ventilación.
CARGAS INTERIORES Personas, calor latente y sensible, luces, motores que se usan en el local; calor que atraviesan las paredes, ventanas, puertas, techos, etc.
PROPIEDADES PSICOMETRICAS DEL AIRE EXTERIOR E INTERIOR Temperaturas del bulbo seco y del bulbo húmedo, presión barométrica, humedad relativa, entalpía específica, volumen específico, temperatura del rocío, presión de vapor, presión de saturación.
DIMENSIONAMIENTO DE DUCTOS Método a utilizarse, trazado unifilar del recorrido de ductos, tipo de ductos (redondos o rectangulares), cantidad de CFM para cada local
LOCALIZACION DE DIFUSORES Y REJILLAS En cada local a acondicionarse, ubicar el tipo de difusores y rejillas con sus cantidades de aire a suministrarse y extraerse respectivamente
UNIDADES MANEJADORAS DE AIRE Elementos que componen la máquina manejadora de aire: ventiladores, prefiltros, humidificadores, deshumidificadores, serpentines de calentamiento, serpentines de enfriamiento y filtros absolutos.
ELABORACION DE LA TABLA DE RESULTADOS DEL CALCULO DE DUCTOS Tramo o ramal (pies); CFM; Diámetro (pulg.); Longitud del tramo o ramal (pies); Dimensiones del ducto rectangular (pulg.); Caida de presión (pulgadas de agua); velocidad del aire (pies por minuto).
PLANOS DEL SISTEMA DE AIRE ACONDICIONADO EN AUTOCAD Sobre los planos arquitectónicos el recorrido y dimensionamiento de ductos, simbología de planos, ubicación de difusores y rejillas de aire, detalles, ubicación de la Unidades Manejadoras de Aire y Ventiladores extractores.
VOLUMEN DE OBRA Se determinará el volumen de obra, que consiste en la cantidad o peso total de las láminas de acero galvanizado que se utilizará en la fabricación de los ductos, de acuerdo al calibre utilizado; la cantidad de difusores; cantidad de rejillas; cantidad de mangas de distribución de aire; cantidad de ventiladores de inyección y de extracción con sus capacidades; cantidad de Unidades Manejadoras de Aire con sus capacidades.
ESPECIFICACIONES TECNICAS DE MATERIALES Y EQUIPOS La ductería será fabricada en planchas lisas de acero galvanizado, de acuerdo con las dimensiones que se encuentra en los planos y calibres de acuerdo a la norma SMACNA; las especificaciones técnicas de la Unidad Manejadora de Aire, deben contemplar lo siguiente: Unidad en CFM; Capacidad en MBH (Mil BTU por Hora); Enfriamiento o calentamiento en MBH; Precalentamiento en MBH (si existe); Hunidificación en Kg./hora; áreas del serpentín de calentamiento o enfriamiento en pulgadas, caida de presión en el serpentín en pulgadas de agua, Temperatura de salida del serpentín; Ventilador pérdidas de presión en pulgadas columna de agua
