UNIVERSIDAD ANTONIO NARIÑO FACULTAD DE INGENIERIA MECANICA ELECTRONICA Y BIOMEDICA PROGRAMA DE INGENIERIA ELECTROMECANICA
TRABAJO INTEGRAL DE GRADO
Diseño y construcción de un banco de pruebas para entrenamiento de sistemas en acondicionamiento de aire, sistema mecánico y termodinámico. termod inámico.
AUTOR Bernardo Antonio rodríguez Pinilla
DIRECTORES Ing. Feissan Alonso Gerena Mateus M.Sc. Ing. Carvajal Labastida Ciro Antonio
Cúcuta 2019 1
UNIVERSIDAD ANTONIO NARIÑO FACULTAD DE INGENIERIA MECANICA ELECTRONICA Y BIOMEDICA PROGRAMA DE INGENIERIA ELECTROMECANICA
TRABAJO PRESENTADO PARA OPTAR POR EL TITULO DE INGENIERO ELECTROMECÁNICO
TITULO Diseño y construcción de un banco de pruebas para entrenamiento de sistemas en acondicionamiento de aire, sistema mecánico y termodinámico
FECHA DE INICIO DEL TRABAJO:
Febrero del 2019
FECHA DE TERMINACIÓN DEL TRABAJO: Mayo del 2019
ACEPTACIÓN Y AUTORIZACIÓN PARA SUSTENTAR: SUSTENTAR:
AUTOR: Bernardo Antonio rodríguez Pinilla
DIRECTORES:
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Feissan Alonso Gerena Mateus ____________________
Carvajal Labastida Ciro Ciro Antonio ____________________
COORDINADOR: Carvajal Labastida Ciro Antonio ____________________
REGISTRO BIBLIOGRÁFICO: Lozano Bayona Zulma _________________
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A Dios, por protegerme y permitirme haber llegado a tan importante momento de mi formación personal y profesional. A mi padre Jesús y mi madre Leonor, Le onor, por el esfuerzo y trabajo para p ara brindarme una buena educación y por sus consejos que al pasar el tiempo les dan más la razón. A mi hermano he rmano Carlos con quien empecé a trabajar con aires acondicionados y me mostro la refrigeración como un oficio digno e interesante. A mi hermano Helton quien fue mi compañero de estudio desde el primer semestre hasta el presente proyecto de grado. A mi esposa quien fue mi permanente apoyo durante todo este tiempo. A mi hija Gabriella quien fue el motivo para continuar mis estudios y seguir trabajando cada día. .
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AGRADECIMIENTOS El autor expresa sus agradecimientos a: CIRO ANTONIO CARVAJAL LABASTIDA, Ingeniero, Coordinador de la Facultad de Ingeniería Electromecánica de la Universidad Antonio Nariño, por convertirse en nuestro Padre estudiantil y que con sus enseñanzas ayudó a formar las personas e Ingenieros que hoy somos. Dr. Ing. ANTONIO GAN ACOSTA, Ingeniero de la Facultad de Ingeniería Electromecánica de la Universidad Antonio Nariño, por su ayuda incondicional como asesor, maestro y amigo. EDGAR ALFONSO SANTOS HIDALGO, Ingeniero de la Facultad de Ingeniería Electromecánica de la Universidad Antonio Nariño, quien nos mostró que con firmeza y fuerza de carácter se pueden llegar a cumplir todas nuestras metas. MSc. Ing. OSCAR ORLANDO GUERRERO DIAZ, Ingeniero de la Facultad de Ingeniería Electromecánica de la Universidad Antonio Nariño, por su ayuda incondicional como maestro y amigo. Ing. BENJAMÍN OTERO, Ingeniero de la Facultad de Ingeniería Electromecánica de la Universidad Antonio Nariño, por su ayuda incondicional como maestro y amigo. FEISSAN ALONSO GERENA MATEUS, Ingeniero de la Facultad de Ingeniería Electromecánica de la Universidad Antonio Nariño, por su ayuda incondicional como director, maestro y amigo. A todo el profesorado, de la Universidad Antonio Nariño por su apoyo incondicional y su orientación en la obtención de este logro. Al SENA: Ing Olman Gerardo Suarez, coordinador Sede industria por la colaboración y préstamo de los laboratorios. Al Tecg Edgar Casiano Camargo por su ayuda incondicional como amigo. 4
UNIVERSIDAD ANTONIO NARIÑO SEDE CÚCUTA
FACULTAD DE INGENIERÍA MECÁNICA, ELECTRÓNICA Y BIOMÉDICA TITULO: DISEÑO Y CONSTRUCCIÓN CONSTRUCCIÓN DE UN BANCO DE PRUEBAS PARA ENTRENAMIENTO DE SISTEMAS EN ACONDICIONAMIENTO DE AIRE, SISTEMA MECÁNICO Y TERMODINAMICO. AUTOR: BERNARDO ANTONIO RODRIGUEZ PINILLA DIRECTOR CIENTIFICO: FEISSAN CIENTIFICO: FEISSAN ALONSO GERENA MATEUS Ing. Electrónico Especialista en Teleinformática AÑO: 2019 Resumen: Desde el comienzo y formación de las Universidades como entidades de conocimiento en distintos ámbitos académicos y carreras profesionales, siempre se ha tenido la certeza de que el aprendizaje óptimo se obtiene mediante la enseñanza teóricopráctica; por esta razón el presente trabajo de grado consiste en el diseño y construcción de un equipo de acondicionamiento de aire tipo mini split con tecnología inverter para fines Deseducativos, con esto se pretende mostrar el proceso de instalación y mantenimiento que requieren estos equipos, el ahorro significativo que puede llegar a tener una instalación adecuada siguiendo las prácticas de instalación, mantenimiento y uso recomendadas, el monitoreo de las variables involucradas en el proceso por medio de unos sensores de presión y temperatura, se ubicarán sensores de corriente para calcular por medio de software el consumo energético, se simularan fallas de funcionamiento para observar el comportamiento del equipo bajo diferentes condiciones de operación. Esto es importante en los procesos de formación de ingenieros y tecnólogos electromecánicos porque coloca al estudiante en situaciones de tiempo real logrando que desarrolle competencias para la solución de problemas de ingeniería donde interviene la termodinámica, la mecánica, la electrónica programable como medio de control; para hacer el proceso real se construyó un modelo estructuralmente resistible y la tecnología de refrigeración es de alta gama, con el control a través de sistemas embebidos de la familia arduinos donde se puede visualizar las respuesta de las variables en una pantalla y así poder hacer un análisis de ingeniería en tiempo real. .
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ABSTRACT
From the beginning and formation of Universities as knowledge entities in different academic fields and professional careers, it has always been certain that optimal learning is obtained through theoretical and practical teaching; for this reason the present work of degree consists of the design and construction of a mini-split type air conditioning equipment with inverter technology for educational purposes, with this it is intended to show the process of installation and maintenance required by these equipment, the significant savings that can have an adequate installation following the recommended installation, maintenance and use practices, the monitoring of the variables involved in the process by means of pressure and temperature sensors, will be located current sensors to calculate by means of software the energy consumption, faults will be simulated to observe the behavior of the equipment under different operating conditions. This is important in the training processes of electromechanical engineers and technologists because it places the student in real-time situations, enabling him to develop skills for the solution of engineering problems involving thermodynamics, mechanics, programmable electronics as a means of control; To make the real process a structurally resistible model was built and the refrigeration technology is high-end, with control through embedded systems of the Arduino family where you can visualize the response of the variables on a screen and thus be able to make a Real-time engineering analysis.
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CONTENIDO pág. INTRODUCCIÓN
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1. FUNDAMENTACIÓN
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1.1 EL PROBLEMA
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1.2 JUSTIFICACIÓN
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1.3 MARCO LEGAL
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1.3.1 Requisitos para el proceso de
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1.4 OBJETO
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1.5 OBJETIVOS
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1.5.1 Objetivo general
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1.5.2 Objetivos específicos
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1.6 ACOTACIONES
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1.6.1 Alcances
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1.6.2 Limitaciones
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2. ARGUMENTACIÓN 2.1 Antecedentes
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2.2 MARCO TEÓRICO
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3. METODOLOGÍA
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3.1 tipo de investigación
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3.2 Marco estratégico táctico
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3.3 Plan de trabajo
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3.3.1 Etapa 1
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3.3.2 Etapa 2
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3.3.3 Etapa 3
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4. DESARROLLO.
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4.1 Etapa 1
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4.2 Etapa 2
42
4.3 Etapa 3
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4.4 Análisis económico
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4.5 Análisis de impacto ambiental
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4.6 Conclusiones 61 61
4.7 Recomendaciones 4.8 Glosario 4.9 Referencias bibliográficas
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LISTA DE ANEXOS pág. LISTA DE FIGURAS pág.
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LISTA DE TABLAS pág.
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INTRODUCCIÓN En Colombia a través de los tiempos la enseñanza tradicional de las ciencias y la ingeniería se ha basado esencialmente en un conocimiento o una experiencia lógico-matemática del estudiante y muy poco en su experiencia práctica. No se debe olvidar que es importante centrar el aprendizaje de los estudiantes en la experimentación y en la interpretación de los resultados. Las nuevas tecnologías incorporadas con la electrónica, la programación y las TIC, pueden ser auxiliares en el aula para el desarrollo de las actividades de aprendizaje, desde el punto de vista de la didáctica. Actualmente la ingeniería de la refrigeración ha incorporado tecnologías que pueden proporcionarnos equipos técnicamente transparentes para el aprendizaje, es decir productos de forma sencilla y funcionamiento evidente, integrando ciencias del saber cómo la termodinámica, la electrónica, la mecánica y la programación, en los que la relación entre la acción y el efecto es inmediata, de esta manera el estudio, análisis y diseño en ingeniería se hace más eficiente. Es así como en este proyecto se propone el diseño y construcción de un banco de pruebas para acondicionamiento de aire, teniendo en cuenta que el ciclo de refrigeración es un ciclo termodinámico en el cual se llevan a cabo efectos físicos y de transferencia de calor. Con esto se busca que el estudiante relacione y entienda que las aplicaciones de la ingeniería de refrigeración no solo son la elaboración de equipos domésticos para el confort. Si no que la ingeniería de refrigeración tiene aplicaciones muy importantes en la industria y la investigación tales como separación y condensación de gases, almacenamiento en estado líquido a baja presión, disipación del calor de reacción, control de fermentación, tratamiento frío de metales entre otros; buscando siempre la protección del medio ambiente.
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1. FUNDAMENTACIÓN 1.1 EL PROBLEMA Desde el comienzo y formación de las Universidades como entidades de conocimiento en distintos ámbitos académicos y carreras profesionales, siempre se ha tenido la certeza de que el aprendizaje óptimo se obtiene mediante la enseñanza teórico-práctica; donde el estudiante debe aprender los principios y bases del saber que sustentan su formación académica para poder aplicarlos en una práctica que simule una situación real. En la ingeniería termodinámica se requiere fuera del concepto del modelo matemático confrontar este con la práctica real en un laboratorio y así poder llevar a una aplicación real estos conceptos como es el caso del aire acondicionado el cual en la actualidad es uno de los principales problemas que se presentan en nuestra vida cotidiana en lo relacionado con el alto consumo energético, puesto que pueden llegar a consumir hasta un 70 por ciento de la energía total de un hogar o una pequeña oficina, este gasto está en función del mantenimiento del equipo y su contexto operacional.
Para que el ingeniero en formación en la universidad Antonio Nariño adquiera las competencias para el diseño y la aplicación de los conceptos de la termodinámica y aplicarlos a la refrigeración refrigeración se hace importante la realización de de este proyecto.
1.2 JUSTIFICACIÓN El aire acondicionado es un proceso de tratamiento de aire ambiente que permite regular en un sitio cerrado la temperatura de ese espacio, la humedad, la limpieza y el movimiento del aire. Al principio las instalaciones de aire acondicionado se destinaban más bien a la mejora de procesos y materiales que al confort de la persona. Por tal razón, el crecimiento del aire acondicionado en la industria ha sido constante, pero el aire acondicionado para el confort de las personas ha tenido en los últimos años un avance tecnológico impresionante, debido a los cambios climáticos donde se generan fuertes olas de calor durante el año lo cual demanda el acondicionamiento del clima en los lugares de permanencia de las 12
personas, para mejorar su calidad de vida. El objetivo de un sistema de aire acondicionado es proporcionar un ambiente confortable. Esto se consigue mediante el control simultáneo de la humedad, la temperatura, la limpieza y distribución del aire. El manejo de todas estas variables requiere de una verdadera ingeniería en el uso de la termodinámica que combinada con las últimas tecnologías de automatización hacen esta labor muy eficiente. Es allí donde cobra importancia el proyecto propuesto ya que el banco de pruebas para acondicionamiento de aire será una herramienta importante en la formación de los futuros ingenieros electromecánicos de la universidad Antonio Nariño sede Cúcuta. Otra razón muy importante por la cual se escogió este proyecto fue la constante preocupación por el medio ambiente. Pensando en la cantidad de energía que se puede ahorrar y la utilización correcta de los gases que se usan en la refrigeración, con aprendizaje idóneo en el manejo de estas variables; esto hace parte del aprendizaje que se logra con las prácticas reales que se pueden realizar en el banco de pruebas para acondicionamiento de aire. Dado que en la Universidad Antonio Nariño no existe un laboratorio para pruebas reales en termodinámica esta sería la oportunidad de generar un Laboratorio de pruebas de refrigeración para contribuir en la investigación de la termodinámica ya que este banco didáctico incluye todos los componentes reales de un equipo, como compresor, condensador, evaporador, forzador de aire, capilares de expansión, termostato y accesorios de control electrónico. Por tratarse de un equipo con fines didácticos, se incorporarán distintos dispositivos de control e instrumental de medición, de manera que faciliten la comprensión y el aprendizaje. A la vez que sea desarrollado este proyecto, se estará dando cumplimiento al requisito para la obtención del título de ingenieros electromecánicos por parte de los alumnos de la facultad de ingeniería electromecánica proponentes del proyecto.
1.3 OBJETO Sistema mecánico, termodinámico y de control electrónico para el banco de entrenamiento en sistemas de aire acondicionado.
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1.4 Objetivos 1.4.1 Objetivos estratégicos. Diseñar y construir un banco de pruebas de refrigeración que permita visualizar de forma clara los procesos básicos de un sistema de aire acondicionado con tecnología inverter.
Analizar el comportamiento de un sistema Aire Acondicionado con unidad condensadora y evaporadora separados tipo Split con tecnología inverter.
1.4.2 Objetivos Tácticos. Diseñar el banco de pruebas de refrigeración para un sistema básico de aire acondicionado. Sistema mecánico y termodinámico con tecnolo tecnología gía inverter. inverter. Implementar el banco de pruebas de refrigeración para un sistema básico de aire acondicionado. Sistema mecánico y termodinámico con tecnolo tecnología gía inverter. inverter.
1.4.2 Objetivos Metodológicos. Diseñar prácticas de laboratorio aplicadas al banco de pruebas de refrigeración para un sistema básico de aire acondicionado con tecnología inverter. 1.5 ACOTACIONES Adendum Adendum al desarrol desarrollo lo del proyecto proyecto global global denominado DISEÑO Y CONSTRUCCIÓN DE UN BANCO DE PRUEBAS PARA ENTRENAMIENTO DE SISTEMAS EN ACONDICIONAMIENTO DE AIRE. Acuerdo Acuerdo de conformid conformidad ad adendum: adendum: Para hacer realidad el proyecto global denominado DISEÑO Y CONSTRUCCIÓN DE UN BANCO DE PRUEBAS PARA PARA ENTRENAMIENTO DE SISTEMAS EN ACONDICIONAMIENTO DE AIRE . En la Universidad Antonio Nariño sede Cúcuta se realizaron en conjunto dos subproyectos cuya denominación y autores son: SISTEMA DE MEDICIÓN Y CONTROL ELECTRONICO MANUEL RODRIGUEZ PINILLA Cód.: 21131614406. 14
Autor: HELTON
SISTEMA MECÁNICO Y TERMODINAMICO Autor: BERNARDO ANTONIO RODRIGUEZ PINILLA Cód.: 21131617244.
1.5.1 Alcance. El alcance de este proyecto, es el inicio de un proceso de mejoramiento en el entrenamiento de los ingenieros para el estudio de la la termodinámica, diseño y mantenimiento de sistemas de refrigeración. Propuestas para mejorar el desarrollo de la investigación en el campo de la termodinámica en la Facultad de Ingeniería Electromecánica de la Universidad Antonio Nariño UAN sede Cúcuta.
1.5.2 Limitaciones. El trabajo de grado se desarrolló en los laboratorios del Sena Regional Norte de Santander en un término de seis meses y es aplicado al sector de la refrigeración. El desarrollo del trabajo de grado grado se limitó limitó a la la revisión de fichas técnicas de equipos existentes en el mercado para realizar un análisis de la parte mecánica y eléctrica, dando como resultado la selección de la marca que de acuerdo a su tecnología permitió la implementación del banco de p ruebas en forma eficiente.
1.6 LEGISLACIÓN 1.6.1 Impacto ambiental. El aire acondicionado es uno de los sistemas más común utilizados para la climatización, tiene consecuencias importantes sobre el aumento de las emisiones de gases de efecto invernadero (GEI) debido a la utilización de gas refrigerante y el consumo de electricidad de los aparatos. Los climatizadores consumen mucha energía eléctrica, lo que emite más CO2 a la atmósfera y agrava el calentamiento global. Otra razón en el impacto del aire acondicionado es el efecto invernadero que produce porque estos gases los cuales no permiten que la luz del sol (radiación de onda corta) atraviese la atmósfera, aumentando la temperatura de la tierra por su absorción y reemisión de energía (radiación infrarroja). Cuanto más dióxido de carbono haya en la atmósfera, menos energía solar es capaz de salir del ambiente. 15
Cada país comprometido con el medio ambiente ambiente establece medidas jurídicas jurídicas apropiadas a nivel nacional para cumplir sus compromisos en el marco del Protocolo de Montreal. En el marco internacional se presentan las Normas Internacionales de Refrigeración y Aire Acondicionado con las cuales Colombia está comprometida en el cumplimiento del acuerdo de Montreal.
1.6.2 Marco internacional. 1Las normativas para la instalación de aire acondicionado son diversas y afectan a distintos procesos: desde la compra, manipulación del aparato y de los gases fluorados que contiene, mantenimiento, seguridad, hasta su retirada y reciclaje. Se debe tener en cuenta reglamentos para instalar aire acondicionado a nivel nacional, local e internacional ya que cada estado establece sus ordenanzas de obligado cumplimiento. Es así como La Subdivisión Acción por el Ozono de la División de Tecnología, Industria y Economía del PNUMA presta asistencia a los países en desarrollo en sus esfuerzos por cumplir sus compromisos contraídos en virtud del Protocolo de Montreal relativo a las sustancias que agotan la capa de ozono, especialmente los relacionados con la eliminación de los hidroclorofluorocarbonos (HCFC). Entre otras, existen alternativas “inocuas para el ozono y el clima” tales como los refrigerantes naturales, a saber, los hidrocarburos, el amoníaco y el dióxido de carbono y los HCF de bajo potencial de calentamiento atmosférico, tanto los saturados como los no saturados (HFO). En muchos sectores y en situaciones individuales la adopción de las mencionadas alternativas no está completamente clara, ya que presentan una serie de características específicas, como la inflamabilidad, toxicidad y funcionamiento a altas presiones, que pueden limitar su aplicabilidad y requieren prácticas o enfoques especiales. Es responsabilidad de cada país establecer medidas jurídicas apropiadas a nivel nacional para cumplir sus compromisos en el marco del Protocolo de Montreal con vistas a la eliminación de los HCFC y otras sustancias que agotan la capa de ozono. Las normas pueden proporcionar el marco y la “información necesaria” en cuanto a la forma en que pueden adoptarse las alternativas con las menores alteraciones posibles. Quizás sea preciso celebrar un amplio proceso de consulta 1
http://www.unep.fr/ozonAction/information/mmcfiles/7739-s-Standar http://www.unep.fr/ozonAction/information/mmcfiles/7739-s-StandardsBooklet2015.pdf dsBooklet2015.pdf
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nacional antes de la adopción de una norma para garantizar que se realice una cuidadosa evaluación del contexto nacional en relación con otras normas vigentes y que se tengan en cuenta las necesidades de todos los interesados pertinentes. Refrigeración y Aire Acondicionado. Ver Anexo B Normas Internacionales de Refrigeración Existen normas internacionales específicas para los sectores:
Domestico Domesti co IEC 60335-2-24 , EN 60335-2-24.
Comercial EN 60335-2-89, 60335-2-89 , IEC 60335-2-89.
Normas de grupo. ISO 5149-1,-2,-3,-4. EN 378-1,-2,-3,-4.
1.6.3 Marco nacional. A nivel nacional las instalaciones de sistemas de refrigeración y su mantenimiento se encuentran enmarcadas dentro del reglamento de Instalaciones Térmicas para Edificaciones – RITE, – RITE, es un esfuerzo gremial que establece las pautas mínimas a nivel de confort, eficiencia energética, protección del medio ambiente y seguridad que deben cumplir las instalaciones térmicas en las edificaciones destinadas a atender la demanda de bienestar e higiene de las personas, durante su diseño y dimensionado, ejecución, mantenimiento y uso, así como determinar los procedimientos que permitan acreditar su cumplimiento. Ver Anexo A Manual RITE. http://www.cceecol.org/images/archivos/Biblioteca/RITE_2017_FINAL.pdf
2El
29 de agosto del 2012 se conformó una Comisión en ACIEM (Asociación Colombiana de Ingenieros) Capítulo Valle constituida por un selecto grupo de 48 ingenieros de varias especialidades de la ingeniería, principalmente mecánica, electromecánica, eléctrica, electrónica, mecatrónica e industrial, para fomentar la aplicación de la norma NTC ISO 50001 en Cali y la región del Valle del Cauca y posteriormente en Colombia.
https://www.acrlatinoamerica.com/201208294927/articulos/otros-enfoques/normas-ntc-iso-50001https://www.acrlatinoamerica.com/201208294927/articulos/otros-enfoques/normas-nt c-iso-50001y-rite-para-colombia.html 2
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Acuerd o N° 48 de la UNIVERSIDAD UNIVERS IDAD ANTONIO 1.6.4 Marco institucional Acuerdo NARIÑO para los proyectos de grado, “reglamento de trabajo de grado”. El Consejo Directivo de la Universidad Antonio Nariño en uso de sus Facultades legales y estatutarias y en particular las que son mencionadas en el Reglamento Estudiantil en sus Artículos 9,10, 11, 12 y 4.
1.6.5 Sistema de seguridad y salud en el trabajo, SST. Cuando se habla del mantenimiento en un sistema de aire acondicionado, aunque la persona que lo ejecuta sea experto, si no emplea las medidas de seguridad adecuadas, es probable que sufra algún accidente durante la instalación o mantenimiento del mismo. Antes de instalar un equipo minisplit con tecnología inverter es importante contar con buenos aparatos de medición, herramientas profesionales, así como tener al alcance todo el equipo necesario. De este modo se puede asegurar un buen trabajo e incluso un contrato. Sin embargo, lo más importante es tomar precauciones y medidas de seguridad para no tener ningún tipo de accidente, dañar el equipo, lastimar a algún compañero de trabajo o perder la garantía de los aparatos.
Desafortunadamente la seguridad en el trabajo no ha sido tomada en cuenta por los técnicos instaladores, por eso es preponderante en este proyecto hacer énfasis en el cumplimiento y ejecución de todas las medidas de precaución y normas de seguridad. 3 A
continuación se enumeran 10 normas nor mas básicas que se deben de ben tener en cuenta cu enta a la hora de ejecutar una instalación de un equipo minisplit con tecnología inverter o un sistema de aire acondicionado convencional
3
Antes de iniciar la instalación de un equipo de aire acondicionado se deberá interrumpir la corriente eléctrica. Mientras se efectúa el trabajo, bloquear los controles de suministro y disponer etiquetas de aviso en los equipos que se vayan a instalar, y así evitar una electrocución o descarga eléctrica.
https://0grados.com.mx/pcr-10-medidas-de-seguridad/ https://0grados.com.mx/pcr-10-medidas-de-seguridad/
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Proteger la cabeza con el casco de seguridad en lugares donde se manejen materiales y agregados de construcción. Usar las gafas de seguridad cuando se trabaja en perforaciones de muros, muros, cargas de gas o soldadura de tuberías. Utilizar mascarillas cubrebocas para evitar la inhalación de gases de cualquier tipo, así como el polvo de cemento. Uso del arnés certificado para evitar caídas; utilizar utilizar líneas de vida certificadas, cuerdas de nylon certificadas, para trabajos en el exterior de edificaciones altas. Tener certificación de trabajo seguro en alturas vijente. Dar lubricación y mantenimiento a las escaleras portátiles portátiles de manera manera frecuente. Proteger las manos con guantes de nitrilo o piel, para evitar cortaduras, quemaduras o contacto con algún líquido peligroso. Usar fajas fajas certificadas para evitar la compresión lumbar lumbar cuando se requiera cargar alguna unidad condensadora o equipos que sean de gran peso o tamaño. Calzar botas de cuero que tengan casquillo o protector de dedos y suela de neopreno antiderrapante para evitar cortaduras, golpes, descargas eléctricas y resbalones en lugares lisos, inclinados, húmedos o arenosos. Limpiar, ordenar y dar mantenimiento constante a las áreas de trabajo y herramientas, aunque algunas no se hayan utilizado recientemente.
Cuando el personal técnico toma todas las medidas de precaución necesarias durante su jornada laboral, además de llevar a cabo una buena instalación, se ven beneficiados tanto en la salud mental como en su integridad física.
Equipo de protección personal. Los ojos y la piel de las manos son las partes 19
del cuerpo más fáciles de dañar cuando se trabaja con gases refrigerantes. Protegerlas de manera adecuada es básico para evitar daños irreversibles. Al igual que en la construcción de instalaciones eléctricas, la instalación de un sistema de refrigeración o de aire acondicionado requiere práctica y preparación. Figura 1.1 elementos de seguridad y salud en el trabajo
Fuente: Fuente: https://0grados.com.mx/pcr-10-medidas-de-seguridad/
Los riesgos van desde las lesiones por quemaduras durante el proceso de soldado, al tocar la línea de la descarga de los compresores cuando se encuentran trabajando, por descargas eléctricas; lesiones en la cintura al cargar (lumbalgia), hasta la posibilidad de que el minisplit inverter o el equipo que se esté instalando resbale y caiga sobre la cabeza o en uno de los pies. Para disminuir la posibilidad de una lesión grave en caso de sufrir alguno de los incidentes mencionados debemos utilizar equipo de seguridad personal en todo momento.
Protección para los pies/Botas de seguridad. Calzado de uso profesional que 20
brinda protección en los dedos mediante la incorporación de los elementos de resguardo que protegen al usuario de las posibles lesiones causadas por accidentes en los sectores del trabajo. Están equipados con topes que ofrecen protección contra impacto con un nivel de energía de 200 J en el momento del choque y frente a la compresión estática bajo una carga de 15 KN (norma en 345).
Protección de la cabeza/casco de protección, clase «e». La función del casco de seguridad es proteger la cabeza de posibles golpes. Lo hace distribuyendo el impacto del golpe en una superficie mayor. Usarlo nos protege de:
Objetos que pueden caer sobre la cabeza Golpearnos contra un objeto punzocortante Una descarga eléctrica que puede causar una conmoción cerebral
Protección para los oídos/tapones para los oídos. Trabajar con equipos de refrigeración y de aire acondicionado nos expone continuamente a ruidos elevados que pueden dañar el oído de forma permanente. Dependiendo del nivel de ruido al que estemos expuestos, podemos utilizar desde tapones desechables auditivos, hasta orejeras electrónicas. Los tapones auditivos reducen el nivel de ruido en 29 decibeles (dB), las orejas reducen el nivel de ruido en 23 dB.
Protección para los ojos /lentes de seguridad. Tienen como función proteger nuestros ojos de cualquier impacto o de la salpicadura de algún producto irritante (gas refrigerante o refrigerante líquido, lubricante, limpiador de condensadores, etc.). Generalmente están fabricados en policarbonatos.
Protección para las manos/guantes. Los guantes antiácidos son útiles cuando trabajamos con ácidos para limpiar condensadores, evaporadores, etc. Los guantes de mecánico, que son resistentes al aceite y al agua, son muy útiles para el trabajo de un técnico en refrigeración.
Protección lumbar/faja de seguridad lumbar . En el trabajo de la refrigeración y 21
el aire acondicionado, es común sufrir alguna lesión en la cintura durante el trabajo, lo que puede incapacitarnos por varios días. Es indispensable el su so de este elemento de seguridad para evitar este tipo de lesiones.
Ropa de algodón. La vestimenta que utilicemos debe ser de algodón. La camisa debe ser de manga larga, debido a que el trabajo se realiza en equipos cuyo voltaje de operaciones rebasa los 100 volts. Esta especificación proviene del Standard NFPA 70E, que trata de la seguridad eléctrica en lugares de trabajo y es una norma internacional de Seguridad Eléctrica en Lugares de Trabajo. Esta norma viene de la National Fire Protection Association, que refleja muchos años de experiencia de importantes participantes de la industria en general para reducir riesgos y accidentes de trabajo. Su última actualización es la NFPA 70E 2018, disponible en inglés, mientas que la última edición que se encuentra tanto en inglés como en español es la c 2015. A continuación en la tabla 1-1 se muestra la relación entre el RETIE y la norma NFPA 70 E.
Tabla 1-1 Cuadro comparativo del RETIE Y LA NFPA70E RETIE
DEFINICION
PROPOSITO
Es el reglamento técnico de instalaciones eléctricas que rige para la república de Colombia Reglamentar las instalaciones eléctricas en Colombia para garantizar la integridad de las personas, bienes y medio ambiente, incluyendo al personal que trabaja en instalaciones eléctricas.
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NFPA 70E Es la norma de seguridad eléctrica en lugares de trabajo, impuesta por la organización norteamericana national fire protección association Atender las necesidades fundamentales de seguridad eléctrica, enfocándose en las prácticas seguras de trabajo, el uso del EPI (Equipo de Protección Individual) adecuados, los requisitos de seguridad relacionados con el mantenimiento del sistema de suministro eléctrico, los requisitos de seguridad para equipos especiales y los requisitos de seguridad para
las instalaciones. EMISION
OBLIGATORIEDAD
COMPONENTES
Emitido por resolución 9078 con vigencia del 30 de agosto del 2013 por el ministerio de minas y energías
Se produjo su primera edición en 1979 por el consejo de norma de la national fire protección association
Debe ser cumplido por contratistas u operadores que generen, transformen, transporten, distribuyan la energía eléctrica; y en general, por quienes usen, diseñen, supervisen, construyan, inspeccionen, operen o mantengan instalaciones eléctricas en Colombia. Así como por los productores, importadores y Comercializadores de los productos objeto del RETIE.
NFPA 70E incorpora al trabajador contratista a estos programas de seguridad como parte de las obligaciones de los empleadores.
Contiene 13 capítulos los Contiene 4 capítulos los cuales cuales son: son: 1. Disposiciones generales. 1.Prácticas de trabajo relacionadas con la seguridad 2. Requisitos técnicos esenciales. 2.Requisitos de seguridad relacionados con el 3. Requisitos de productos. mantenimiento 4. Requisitos para para el proceso 3.Requisitos de seguridad de generación para equipos especiales 4.Requisitos de seguridad de instalación
Fuente: Fuente: https://www.consulmessas.com/index.php/relacion-retie
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2. ARGUMENTACIÓN 2.1 ANTECEDENTES En la actualidad en Colombia hay empresas dedicadas a ofrecer tecnologías de automatización enfocada hacia la industria de la refrigeración y se desarrollan diferentes tipos de proyectos unos orientados a la parte industrial y otros hacia el confort del usuario cotidiano para lo cual se han venido desarrollando diferentes investigaciones a nivel local, nacional e internacional; realizando un rastreo bibliográfico sobre el proyecto de investigación que se adelanta, se encontraron los siguientes trabajos de grado e informes de investigación, que hacen referencia a la actividad de este proyecto.
2.1.1 Nivel internacional. DISEÑO DE UN SISTEMA DE CONTROL PARA OPTIMIZAR FUNCIONAMIENTO DEL SISTEMA DE CLIMATIZACIÓN EN HOSPITALES ESCUELA POLITÉCNICA NACIONAL MECÁNICA. Quito Ecuador, Enero 2015.
FACULTAD
DE
EL
INGENIERÍA
Resumen: El presente proyecto tiene como objetivo fundamental diseñar un sistema de control para el sistema de climatización de un hospital. Este proyecto se inicia con una recopilación de información sobre los conceptos básicos de la climatización y los fundamentos teóricos de la misma, además de hacer una breve explicación sobre algunos equipos, aquellos que intervienen el sistema que se va a controlar. Luego se procede a sentar las bases teóricas de las ciencias que intervienen en el proyecto, es así que en primer lugar se dan a conocer los aspectos teóricos del control automático, para luego dar conocimientos básicos sobre las ciencias fundamentales que influyen y son determinantes en la climatización. Para llevar a cabo el análisis de factibilidad, en un principio se explica el funcionamiento de la herramienta para la selección y evaluación de las alternativas, luego se procede a definir el problema, en esta parte se explica y se justifica la necesidad de d e aplicar este proyecto pr oyecto en e n base a los costos operativos op erativos del d el sistema de climatización. Dentro del mismo capítulos tres se procede a presentar las alternativas que se consideran las más apropiadas para el caso, de igual manera se presentan los factores que determinantes en la evaluación y selección de la alternativa más adecuada.
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Para el diseño del sistema se utiliza el software DVM-pro de Samsung Electronics, como este es un software especializado para el diseño de sistemas de climatización, se explica el funcionamiento y utilización de cada uno de los modos del programa. En la simulación al igual que en el diseño se utiliza un software especializado, así mismo este se explica antes de utilizarlo para obtener un resultado de la simulación.
DISEÑO E IMPLEMENTACIÓN DE MÓDULOS DIDÁCTICOS PARA EL ESTUDIO DE LOS SISTEMAS DE CLIMATIZACIÓN UNIVERSIDAD POLITÉCNICA SALESIANA SEDE GUAYAQUIL ECUADOR INGENIERÍA ELÉCTRICA ABRIL 2015 RESUMEN: Los módulos de prueba didácticos para el estudio de los sistemas de climatización están diseñados en dos partes; el primero es un módulo basado en un aire acondicionado tipo ventana y el segundo es un módulo compuesto por un acondicionador de aire tipo split. Ambos equipos fueron desmantelados y ensamblados en los módulos didácticos. Las partes principales tanto eléctricas como mecánicas de ambos aparatos de refrigeración son las mismas, siendo los equipos mecánicos el compresor, condensador y evaporador coexistiendo con los componentes de la parte eléctrica como el motor ventilador del evaporador y condensador, selector de temperatura, selector de velocidad, protector térmico y capacitor. Sin embargo a diferencia del módulo tipo ventana, el tipo split está compuesto por dos partes principales, la unidad condensadora dentro de la cual se encuentra el compresor, motor ventilador y el serpentín condensador; y la unidad evaporadora en cuyo interior se encuentra la turbina y el motor del ventilador y el serpentín del evaporador. Como componentes adicionales a este segundo módulo de climatización tenemos termostato, transformador, protector térmico, capacitores, presostatos y timer. Adicionalmente se realizó un manual de usuario, el cual incluye la descripción técnica, diez prácticas didácticas y los protocolos de seguridad. DISEÑO E IMPLEMENTACIÓN DE MÓDULOS DIDÁCTICOS PARA EL ESTUDIO DE LOS SISTEMAS DE CLIMATIZACIÓN UNIVERSIDAD POLITÉCNICA SALESIANA SEDE GUAYAQUIL INGENIERÍA ELÉCTRICA ABRIL 2015 RESUMEN: Los módulos de prueba didácticos para el estudio de los sistemas de climatización están diseñados en dos partes; el primero es un módulo basado en un aire acondicionado tipo ventana y el segundo es un módulo compuesto por un 25
acondicionador de aire tipo split. Ambos equipos fueron desmantelados y ensamblados en los módulos didácticos. Las partes principales tanto eléctricas como mecánicas de ambos aparatos de refrigeración son las mismas, siendo los equipos mecánicos el compresor, condensador y evaporador coexistiendo con los componentes de la parte eléctrica como el motor ventilador del evaporador y condensador, selector de temperatura, selector de velocidad, protector térmico y capacitor. Sin embargo a diferencia del módulo tipo ventana, el tipo split está compuesto por dos partes principales, la unidad condensadora dentro de la cual se encuentra el compresor, motor ventilador y el serpentín condensador; y la unidad evaporadora en cuyo interior se encuentra la turbina y el motor del ventilador y el serpentín del evaporador. Como componentes adicionales a este segundo módulo de climatización tenemos termostato, transformador, protector térmico, capacitores, presostatos y timer. Adicionalmente se realizó un manual de usuario, el cual incluye la descripción técnica, diez prácticas didácticas y los protocolos de seguridad.
2.1.2 Nivel nacional DESARROLLO E IMPLEMENTACIÓN DE UNA METODOLOGÍA PARA ORIENTAR A USUARIOS DE SISTEMAS DE AIRE ACONDICIONADO EN LA ELECCIÓN DE LA MEJOR OPCIÓN BASADO EN CRITERIOS ECONÓMICOS Y AMBIENTALES, EN LA EMPRESA AIRE ACONDICIONADO Y VENTILACIÓN SAS. UNIVERSIDAD TECNOLÓGICA DE PEREIRA FACULTAD DE INGENIERÍA MECÁNICA PEREIRA 2018. RESUMEN. El ejercicio del aire acondicionado es una rama de la ingeniería mecánica que debido al cambio climático que se está viviendo está tomando mucha relevancia en cuanto a solventar las necesidades que se presentan en una gran diversidad de lugares, además de que es fundamental que se conozca el comportamiento ambiental de un equipo de aire acondicionado y abordar el tema de sus costos desde el punto de vista del cliente de la empresa Aire Acondicionado y Ventilación Ven tilación SAS, mostrando diferencias monetarias m onetarias que qu e sean de utilidad para que puedan tomar decisiones en cuanto a sus inversiones, por esto el presente documento muestra la base teórica de conocimiento de los equipos de aire acondicionado adquirida en la práctica y cálculos de carácter financiero y ambiental con el cual se comparan las tecnologías actuales de un equipo de aire acondicionado sustentando por medio de estos cuál de los equipos genera un mayor impacto ambiental, cual cuesta más y cuál es la decisión más factible, además se evidencian todas las modificaciones y adiciones a los modelos de cotización de la empresa, para que los análisis puedan ser incluidos en cada 26
cotización a partir de su realización y que el cliente se dé cuenta de que en la empresa se toman el tiempo para hacer análisis que contribuyen con su economía y con el medio ambiente.
DISEÑO
Y
CONSTRUCCIÓN
ACONDICIONAMIENTO
DE
DE
AIRE
UN TIPO
EQUIPO “MINI
DIDÁCTICO
SPLIT”,
PARA
DE EL
LABORATORIO DE REFRIGERACIÓN DE LA UNIVERSIDAD PONTIFICIA BOLIVARIANA UNIVERSIDAD PONTIFICIA BOLIVARIANA ESCUELA DE INGENIERIAS FACULTAD DE INGENIERÍA MECÁNICA MEDELLÍN-COLOMBIA 2015 RESUMEN: La contaminación y los cambios climáticos son fenómenos que se han venido presentando durante los últimos años, adquiriendo cada vez más fuerza. Por esta razón las personas buscan tener mejores condiciones ambientales haciendo uso de los sistemas de acondicionamiento de aire. Este trabajo de grado consiste en el diseño y construcción de un equipo de acondicionamiento de aire tipo mini split con fines educativos, con este se pretende mostrar el proceso de instalación que requieren estos equipos, el ahorro significativo que puede llegar a tener una instalación adecuada siguiendo las prácticas de instalación, mantenimiento y uso recomendadas, el monitoreo de las variables involucradas en el proceso por medio de unos sensores de presión y temperatura, se ubicará un medidor del consumo energético para observar el comportamiento del equipo bajo diferentes condiciones de operación. En el ciclo de refrigeración correspondiente se emplea el refrigerante R410A (implementado en este trabajo). Para ello se elaboró una estructura (chasis) en perfiles de aluminio en la cual se ubican las unidades del mini Split que son el evaporador y el condensador. La principal característica del diseño del equipo es la parte didáctica la cual permite por medio de unas guías elaboradas para el laboratorio de la Universidad Pontificia Bolivariana (CIRCLI) que todos los estudiantes de pregrado, postgrado e inclusive técnicos, medir y controlar las variables del proceso, con esto se puede monitorear posibles fallas, malas prácticas, fugas de líquido refrigerante, obstrucciones, entre otras y realizar un plan de mantenimiento adecuado a apuntando a la reducción del consumo energético de estos equipos. Para la fabricación e instalación del equipo se realizan una serie de procesos de manufactura, como son cizallado, torneado, fresado y soldadura en la parte de instalación de los sensores de medición. La instrumentación utilizada para monitorear las presiones y temperaturas tanto de alta como de baja son monitoreadas por medio de transmisores de presión y temperatura al igual que para el monitoreo del consumo energético, a través de indicadores digitales y 27
también con posibilidad de visualizar en un computador a través de una interfaz gráfica denominada “Stitrad” ®. Durante la instalación se realizan procesos como el de recuperación de refrigerante con el fin de proteger el medio ambiente, chequeo de fugas en la tubería que transporta el refrigerante, se hacen pruebas de vacío y carga de refrigerante y finalmente unas pruebas de funcionamiento.
2.1.2 Nivel Local. Después de realizar el rastreo bibliográfico en la red no se encontró a nivel local trabajos de grado o investigaciones referentes al proyecto en mención, solamente información de equipos de formación que tiene el SENA regional Norte de Santander en el centro CIES. El entrenador tiene la siguiente referencia. Product Name: Basic Refrigeration Trainer Model Name: YESR-1000 Descripción técnica. Dispone de experimentos y entrenamientos para la temperatura, Dispositivo de control de presión y descongelación automática. Puede comprobar los cambios de dispositivo de refrigeración. Puede configurar el alcance de medición de la temperatura para crear el P-I diagrama de modo que hace que estos experimentos y entrenamientos estén disponibles, tales como equipos, Diagrama de Mollier, y ahorro de datos. La educación teórica, los experimentos y las capacitaciones están disponibles para los Circuito y circuito de aplicación por varios circuitos de estructura de equipos. Se puede entender los principios del descongelamiento por gas caliente. A diferencia d iferencia del de l sistema de separación sep aración en e n la parte mecánica, la unidad de d e control con trol se visualiza. Control automático para panel gráfico con dos módulos de control automático. Control de operación (ENCENDIDO, APAGADO) de la máquina de monitoreo y monitoreo de datos y tablero de control eléctrico eléctrico en la PC a través de YESR-DAQ (accesorio opcional).
28
2.2 MARCO TEÓRICO 2.2.1 Historia del aire acondicionado. Alrededor de 1911 W illis Carrier (Estados Unidos) investigó los pasos para conseguir con la transición de estado de un gas una variación positiva positiva (calor) o negativa (frío) de la temperatura del ambiente circundante. Sin embargo, el propósito para lo cual se implementó y utilizo este tipo de sistema no era inicialmente para enfriar sino para deshumidificar el aire. La evaporación de un líquido con baja temperatura de evaporación ya era conocida antes, pero había una pérdida de la sustancia utilizada (amoniaco) y por lo tanto no es adecuado para uso continuo, Carrier ideó un sistema para recuperarlo en un circuito cerrado y tras un año de trabajo se le encomendó la tarea de resolver el problema controlar la humedad del aire de en una imprenta de Brooklyn, donde el papel quedaba inservible al arrugarse debido a la excesiva humedad en el aire. Figura 2.1 Willis Carrier, el inventor.
Fuente: Fuente: https://i1.wp.com/www.aire-acondicionado.com.es/wpcontent/uploads/2015/01/Willis-Carrier.jpg?resize=158%2C220.
Las anteriores soluciones para resolver este problema era aumentar la velocidad del aire o bien dejar alguna ventana abierta para contrarrestar la humedad con una corriente de aire opuesta. La humedad era un gran problema en términos de productividad, porque traía consigo una interrupción de las actividades de los trabajadores y por lo tanto del trabajo de la imprenta. Carrier terminó el primer borrador de su sistema de aire acondicionado el día 17 de julio de 1902, tecnología que fue la base de los actuales sistemas de climatización. 29
2.2.2 Refrigeración es la rama de la ciencia que trata del proceso de reducir y mantener más baja que su alrededor, la temperatura de un espacio dado o de un producto. En cualquier proceso de refrigeración, el cuerpo empleado como absorbente de calor se llama agente de refrigeración o agente refrigerante. (Hernández Goríbar, 1973). La refrigeración es el proceso de mover el calor de un área donde no es aceptable a otra donde el calor no es objetable. De acuerdo con la segunda ley de la termodinámica, el calor siempre fluye de un material que tiene una temperatura alta a un material que tiene una temperatura baja. 2.2.3 Aire acondicionado El acondicionamiento de aire es el proceso por el cual al aire de un ambiente determinado se le modifican ciertas características tales como la humedad y la temperatura de igual manera permite controlar su calidad y flujo. En 1842, Lord Kelvin inventó el principio del aire acondicionado. Para conseguir un ambiente agradable y sano, el científico creó un circuito frigorífico hermético basado en la absorción del calor a través de un gas refrigerante. Para ello se basó en 3principios:
El calor se transmite de la temperatura más alta a la más baja. El cambio de estado del del refrigerante de líquido líquido a gas absorbe calor. La presión y la temperatura están directamente relacionadas, ya que a mayor temperatura mayor presión en el sistema de refrigeración. (Cengel & Boles, 2009).
Las industrias textiles del Sur de los Estados Unidos fueron las primeras en utilizar los sistemas de aire acondicionado. La fábrica de Algodón Chronicle Mill en Carolina del Norte, tenía un gran problema debido a la ausencia de humedad lo cual creaba un exceso de electricidad estática generando así que las fibras de algodón se deshilacharan y fuera difícil tejerlas, a lo cual se le dio solución con el acondicionamiento del aire.
2.2.4 Funcionamiento del aire acondicionado. El funcionamiento de un aire acondicionado se basa en usar un ciclo termodinámico que es realizado por un fluido con transferencia de calor. Cualquier unidad de aire acondicionado generalmente está compuesta de los siguientes elementos principales:
Compresor: Su objetivo es comprimir un fluido para lograr aumentar la presión, este fluido está en estado gaseoso según las ecuaciones de estado de los gases (tomando como ejemplo la ecuación de estado de un gas ideal) este aumento de presión del gas también crea un aumento de su temperatura de tal manera que el 30
gas a la salida del compresor tiene una presión y una temperatura mas elevada que a la entrada.
Condensador: La función del condensador es condensar el gas, es decir, transformarlo en estado líquido, este cambio de estado es realizado restando calor al gas por lo que ese calor absorbido es liberado en forma de calor al ambiente. Válvula de expansión: La válvula de expansión o capilar (depende del tipo de instalación) es un estrechamiento en el circuito con el que se somete al líquido a una pérdida de presión y por lo tanto a una bajada de temperatura del mismo.
Figura 2.2 Componentes básicos de un equipo de aire acondicionado.
Acondicionado o y Refrigeración. Refrigeración. Fuente: Jennings, B., & Lewis, S. (1970). Aire Acondicionad CONTINENTAL S.A.
Evaporador: El propósito del evaporador es la vaporización del líquido absorbiendo calor desde el exterior y transformando este líquido en gas. Elementos complementarios: Los siguientes elementos son utilizados para la gestión y funcionamiento: válvulas, interruptores de presión, ventiladores, termostatos, sondas de temperatura y placas electrónicas de control.
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En el uso doméstico y comercial la configuración más habitual está compuesta de dos unidades separadas:
Una unidad exterior que mayoritariamente es donde está dispuesto dispuesto el compresor. Una unidad interior que proporciona una circulación de aire mediante mediante difusión o directamente al ambiente.
2.2.5 Constitución de las unidades de aire acondicionado. Las unidades de aire acondicionado como hemos mencionado suelen estar constituidas de dos unidades independientes, la unidad interior y la unidad exterior, entre estas dos unidades se ha de realizar una instalación frigorífica de tubería de cobre por el que circulara el gas refrigerante o fluido refrigerante y conexiones eléctricas para el correcto control y funcionamiento de estos, la fuente de alimentación principal suele ir conectada a la unidad exterior ya que el mayor consumo se produce en esta unidad y esta a su vez enviará tensión por medio de la interconexión eléctrica con la unidad interior. Estas dos unidades necesitarán de un tubo de desagüe para evacuar el agua de los condensados de estas unidades (las unidades solo frío no necesita desagüe en la unidad exterior) como se muestra en la figura 3.
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Figura 2.3. Aire acondicionado ensamble básico de las dos unidades.
Fuente: Manual Samsung Existen también unidades de aire acondicionado compactas que aglutinan en una sola unidad la unidad exterior y la unidad interior, este tipo de unidades son las unidades de ventana, las portátiles y las unidades compactas o “sin unidad exterior”.
33
Figura 2.4. Aire acondicionado de ventana ventana
Fuente: Fuente: https://i1.wp.com/www.aire-acondicionado.com.es/wpcontent/uploads/2015/01/Aire-acondicionado-ventana.jpg?w=640
Las unidades compactas compactas de ventana suelen ser las unidades que se “empotran” en una pared con acceso al exterior de la vivienda para así disponer de la parte de unidad interior en el interior de la vivienda y la exterior en la parte externa de esta, en la actualidad estas unidades están en desuso debido a su alto consumo de energía.
2.2.5 Tipos de aires acondicionados. Las unidades de aire acondicionado pueden ser divididas en dos grandes familias dependiendo de sus características.
Unidades sólo frío.
Unidades bomba de calor.
La gran diferencia entre estos dos tipos de familia radica en que las unidades de bomba de calor, además de enfriar aire en verano también pueden calentarlo en invierno mediante una válvula de 4 vías y la inversión de ciclo de funcionamiento, restando para ello el calor del aire exterior e inyectándolo en el interior. 34
Otra clasificación está relacionada con la tecnología utilizada para su funcionamiento.
Unidades de aire acondicionado On/off o encendido y apagado
Unidades de aire acondicionado inverter.
La tecnología de las unidades de aire acondicionado on/off es más antigua, más sencilla y más económica pero tiene varios inconvenientes en cuanto a sus características de funcionamiento con relación a la tecnología inverter como se relaciona a continuación.
Mayor consumo ya que al encender el compresor arranca en su máxima potencia permaneciendo en esta durante todo su funcionamiento.
Menor rendimiento con relación al inverter.
Coeficientes energéticos mucho menores que las unidades inverter.
Picos de intensidad altos en la corriente.
Mayor sonoridad exterior.
Funcionamiento más limitado a temperaturas exteriores extremas, mientras que las unidades de aire acondicionado inverter gracias a esta tecnología consiguen modular electrónicamente la potencia de la unidad, logrando reducirla y aumentarla dependiendo de las necesidades requeridas.
2.2.6 Consumo y eficiencia energética. Las unidades de aire acondicionado como muchos electrodomésticos y aparatos electrónicos están sujetas a las normas de eficiencia energética de la unión europea y deben ser calificados según su consumo energético. Estás clases tienen como nomenclatura la mostrada en la figura 4 donde se observan los coeficientes de energía de aires acondicionados, siendo el coeficiente energético A+++ es el más eficiente y el G el menos eficiente energéticamente. Generalmente en las clases energéticas A+++, A++, A+, y B normalmente se encuentran las unidades de aire acondicionado inverter, mientras que las unidades de aire acondicionado On/off se suelen encontrar en clases energéticas C o inferiores. 35
Figura 2.5. Coeficientes de energía de aires acondicionados
Fuente:https://i1.wp.com/www.aire-acondicionado.com.es/wpFuente:https://i1.wp.com/www.aire-acondicionado.com.es/wpcontent/uploads/2015/01/Coeficiente-energ%C3%A9tico.jpg?resize=1024%2C839.
Con respecto a la reducción del consumo energético se realizaron investigaciones hace varias décadas dando como resultado el inventó del Split de aire acondicionado con tecnología INVERTER por parte de la empresa Toshiba que hace más de 30 años este invento mejoró el confort del usuario y abrió la puerta del ahorro energético en climatización.
Técnicamente, lo que hace la tecnología INVERTER es modificar la corriente eléctrica de la que se alimenta (corriente alterna a 60 hz), modulando su frecuencia en un rango determinado (Entre 30 y 90HZ) para enviar esa corriente modificada al compresor, que gira a distintas velocidades permitiendo al sistema modular a su vez la capacidad y el consumo. Así de simple, el sistema INVERTER se adapta a la demanda requerida en cada momento de su funcionamiento
36
Figura 2.6. Etapa de funcionamiento de la tecnología tecnología invertir.
.Fuente: .Fuente: https://www.youtube.com/watch?v=DjQZ6hY7qig
2.2.7 Parámetros a controlar en el acondicionamiento del aire La mayoría de personas consideran que el acondicionamiento de aire se refiere a “el enfriamiento del aire”, lo cual es un concepto incompleto debido a que el acondicionamiento del aire también puede ser para calentar el medio. El acondicionamiento de aire consiste en mantener las condiciones ambientales necesarias de temperatura, humedad relativa, movimiento y limpiar el aire que circula en un lugar para garantizar las condiciones de higiene y el confort requerido por los seres humanos. (e-URE, 2005) A continuación, se muestra cómo se controla cada una de estas condiciones:
Temperatura: la temperatura del aire se controla calentándolo o enfriándolo, según las condiciones ambientales y el confort deseado por el usuario. Humedad: la humedad es la cantidad de vapor de agua contenida en la atmosfera. Cuando se habla de vapor de agua se refiere al proceso donde se parte de agua en estado líquido que es calentada por algún mecanismo y logra 37
llevar a su punto de ebullición convirtiendo en vapor. (Juan Carlos Fallas Sojo, 2006) Esta se controla por medio de la humidificación o desmitificación que son procesos de adición o eliminación de vapor de agua al aire respectivamente.
Higienizado del aire: El aire puede ser limpiado por medio de los siguientes procesos:
Filtración: Es un proceso de separación de partículas contaminantes por medio de un elemento llamado filtro. Ventilación: Es el proceso de de introducción de aire exterior exterior al espacio interior, con lo cual se diluye la concentración de contaminantes.
Movimiento: El movimiento del aire se refiere a la velocidad del aire y hacia los lugares que se dirige. Se controla por medio del equipo de distribución o circulación que tenga el Mini Split. En la figura 2.7 se ilustra cómo es la circulación del aire en un recinto refrigerado. Figura 2.7.Circulación del aire en un recinto refrigerado.
Fuente: e-URE, 2005 aire acondicionado. 38
2.2.8 Refrigerantes utilizados en un sistema de refrigeración. Refrigerante es teóricamente cualquier fluido o sustancia que pueda absorber calor a una baja presión y a una baja temperatura, y que lo pueda liberar a una presión mayor y a una temperatura mayor. (Gases Refrigerantes, 2010). 4Los refrigerantes tienen la capacidad de cambiar de estados de gas a líquido o viceversa. El refrigerante en fase liquida se encarga de absorber calor a baja presión, con esto cambia de fase a vapor (gas), este calor lo libera cuando está a alta presión y cambia de fase gaseosa a liquida. 5El
efecto de refrigeración de un refrigerante se mide por la cantidad de calor que es capaz de absorber desde que entra al evaporador como líquido, hasta que sale como vapor, es decir, es la diferencia entre el calor que contiene el líquido y el calor contenido en el vapor después de pasar por el evaporador. Un refrigerante se puede emplear de los modos siguientes:
En un ciclo ciclo de refrigeración por compresión de vapor: se emplea un compresor para incrementar la presión del vapor del refrigerante desde la presión en el evaporador a la presión en el condensador. En un ciclo de absorción: el aumento de presión se produce por el calor que suministra el vapor que circula por la batería de tubos, en donde, la cámara produce el efecto de aspiración y el generador el de compresión.
En un ciclo de gas (proceso inverso del ciclo Brayton).
En un ciclo transcrítico.
6Los
más habituales son los dos primeros, generalmente el refrigerante absorbe calor por evaporación a temperaturas y presiones bajas. Al condensarse a presión más alta, cede su calor a cualquier medio circundante, normalmente aire o agua. En la industria de la refrigeración en sistemas de aire acondicionado, neveras y bombas de calor es donde se utilizan comúnmente los refrigerantes. Estos se clasifican de acuerdo a la interacción que tengan con el objeto primario así:
4 Ministerio
de ambiente y Desarrollo sostenible, 2014. Goríbar, 1973. 6 Alarcon Creus & Boixareu Vilaplana, Refrigerantes, 2009. 5Hernández
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Refrigerantes primarios: son aquellos que al evaporarse a cierta presión y temperatura absorben calor y la transfieren a la atmósfera. Refrigerantes secundarios: es cualquier fluido enfriado por un refrigerante primario que circula como fluido de transferencia de calor para retirar la carga térmica del sistema.
En la figura 6 se muestra la presentación comercial de los refrigerantes utilizados en para el acondicionamiento del aire en sistemas de aire acondicionado tipo mini Split.
Figura 2.8. Presentación comercial de los gases refrigerantes
Fuente Castro, E. A. (2014). Recommendations when choosing a refrigerant.
Denominación de los refrigerantes. La empresa DUPONT inventó el método ASHRAE para asignar a los gases refrigerantes un grupo de seguridad. El uso público de este sistema numérico para clasificar los gases fue autorizado en el año de 1956 y con el tiempo se volvió una norma utilizada por la industria.
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Posteriormente, el Instituto Nacional Americano de estándares ANSI y ASHRAE lo convirtieron en el Standard 34. La denominación de los refrigerantes debe ser por su fórmula o denominación química como lo establece el artículo 4.1 del reglamento de seguridad para instalaciones frigoríficas. (Ministerio de Industria, Turismo y Comercio, 2011). En la tabla se muestran cómo se clasifican por medio de una denominación numérica que fue adoptada por ISO 817 que es la Organización Internacional de Normalización. Tabal 2.1 características de clasificación del Standard 34 ASHARE.
Fuente: La intención de este estándar es la de referirse, por un método simple, a los refrigerantes con números y letras, en vez de utilizar el nombre químico del gas, fórmula o marca.
La letra minúscula denota un gas isómero, ejemplo en el R-134a. Esta indica la simetría en pesos atómicos. El más simétrico no tiene letra y al aumentar la asimetría se colocan las letras a, b, c, etc. La letra mayúscula denota una mezcla zeotrópica y quedan dentro de la serie 400. Ejemplo en el R-401A. Las letras A, B, C, a la derecha del número se utilizan para diferenciar mezclas con los mismos componentes pero con diferente proporción. Ejemplos: R-401A, R-401B, R-407C 41
Si la mezcla es azeotrópica quedan en la la serie 500 y el número es es arbitrario, responde al orden de aparición del refrigerante. Ejemplos: R-502, R-507. Para los refrigerantes inorgánicos se reserva la serie 700. Ejemplo: Ejemplo: R-717 que es el amoniaco.
Respecto de los dígitos numéricos, el standard dice:
Primer dígito, dígito, de derecha derecha a izquierda izquierda = número de átomos de flúor en el compuesto. Siguiente dígito hacia la la izquierda izquierda = número de átomos de hidrógeno más1. Tercer dígito hacia la izquierda = número de átomos de carbono menos 1 (no se usa cuando es igual a cero). Cuarto dígito hacia la izquierda = número de enlaces dobles.
Figura 2.9. Codificación del refrigerante R134a.
Fuente: Tomado de (Ruiz, J. D., 2012). 42
Tabla 2.2 Clasificación de seguridad de los refrigerantes
Fuente: Tomado Fuente: Tomado de (Ruiz, J. D., 2012).
Clase A: TLV/TWA 400 ppm o mayor Clase B: TLV/TWA 399 ppm o menor
La inflamabilidad también se clasifica:
Clase 1: no propaga la flama Clase 2: baja propagación de flama Clase 3: alta propagación de flama
Los refrigerantes se pueden clasificar según la tabla 2. Como se ve, un gas refrigerante “A1” significa que es uno de los gases más seguros con los que se puede trabajar, y el “B3” es el más peligroso. Los refrigerantes recomendados para las sustituciones, generalmente están clasif icados clasif icados como “A1”.
FÓRMULA EMPÍRICA
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La tercera columna de las tablas 3 y 4 indican qué clase de gas refrigerante es. La nomenclatura aquí mostrada es: CFC............Clorofluorocarbono HCFC………..Hidroclorofluorocarbono HFC………….Hidrofluorocarbono HC…………...Hidrocarbono HC…………...Hidrocarbono (Hidrocarburo)
HFO................Hidro HFO................Hidrofluorolefina fluorolefina
Tabla 2.3. Refrigerantes que son compuestos puros del Standard 34.
Fuente: Tomado Fuente: Tomado de (Ruiz, J. D., 2012).
Tabla 2. 4. Refrigerantes zeotropos y azeotropos del Standard 34
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Fuente: Tomado de (Ruiz, J. D., 2012).
3. METODOLOGÍA 3.1 TIPO DE INVESTIGACIÓN La realización de este proyecto se fundamentó en la investigación aplicada con el análisis de la información consultada y recopilada con referencia a las especificaciones técnicas de equipos de refrigeración existentes en el mercado local y nacional, realizando un análisis técnico de las características de cada uno de los los componentes mecánicos y termodinámicos lo cual representa repres enta una forma de investigación técnica aplicada sobre los diferentes procesos y tecnologías que se utilizan en la industria de la refrigeración y que se centra en el entrenamiento de tecnólogos e ingenieros de la Facultad de Electromecánica de la Universidad Antonio Nariño, sede Cúcuta. Con la investigación realizada, se espera desde el análisis técnico y el trabajo de campo a través de la experiencia y la información obtenida con base en los documentos técnicos de cada una de las marcas seleccionadas, aportar los conocimientos de la mecánica y la termodinámica aplicada a los sistemas de refrigeración con el fin de realizar un diseño e implementación optimo del banco de pruebas para el entrenamiento de sistemas en acondicionamiento de aire.
3.2 MARCO ESTRATÉGICO TÁCTICO La realización de este proyecto se fundamenta en el análisis y aplicación de los 45
datos técnicos recopilados en la investigación de campo, que es una forma de investigación técnica sobre los diferentes procesos y tecnologías que se utilizan en los sistemas de refrigeración y se centra en la realización de un diseño diseño y montaje eficiente, eficaz y lo más económico posible del banco de pruebas para el entrenamiento de sistemas en acondicionamiento de aire; que será utilizado en el entrenamiento de tecnólogos e ingenieros de la facultad de electromecánica de la universidad Antonio Nariño sede Cúcuta.
3.3 PLAN DE TRABAJO Para la ejecución del proyecto, fue conveniente llevar a cabo una metodología de desarrollo que conllevó a la realización de los objetivos anteriormente expuestos y fundamentados en el marco conceptual, recolectando y analizando la información por medio de las actividades propuestas en cada una de las siguientes etapas. co mportamiento de un sistema Aire Acondicionado con 3.3.1 Etapa 1. Analizar el comportamiento unidad condensadora y evaporadora separados tipo Split y la tecnología inverter. Para alcanzar este objetivo se llevaron a cabo las siguientes actividades: Se realizó un estudio de los fundamentos teóricos de la termodinámica y la parte técnica de aires acondicionados de tecnología mini split e invertir de acuerdo a las características de diseño diseño y tecnología existentes en el mercado. Revisión bibliográfica: En esta actividad se recopilo mucha información de diferentes fuentes, por lo cual se convirtió en una de las actividades con mayor influencia en el desarrollo del trabajo. Fue necesario crear un filtro para canalizar únicamente la información de interés para el proyecto.
Como resultado de este proceso se obtienen los conocimientos teóricos y técnicos para la selección del equipo que se pretende rediseñar y ensamblar en el banco didáctico, esta actividad se realizó de acuerdo al cronograma establecido.
3.3.2 Etapa 2. Diseñar el banco de pruebas de refrigeración para un sistema básico de aire acondicionado. Sistema mecánico y termodinámico con tecnología inverter .
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Para alcanzar este objetivo se llevaron a cabo las siguientes actividades: El inicio de esta etapa parte del conocimiento de las dimensiones de los subsistemas del equipo de acondicionamiento de aire con tecnología inverter seleccionado (condensador y evaporador) y en función de estos se diseña el banco con los los soportes y el chasis. Se realiza el rediseño de las tuberías teniendo en cuenta la simulación de fallas Para el sistema o circuito termodinámico y de esta forma que el alumno observe fenómenos físicos, implicados con la transferencia de calor y la termodinámica; aplicados al funcionamiento de equipos de aire acondicionado inverter.
3.3.3 Etapa 3. Implementar el banco de pruebas de refrigeración para un sistema básico de aire acondicionado. Sistema mecánico y termodinámico con tecnología inverter . Para alcanzar este objetivo se llevaron a cabo las siguientes actividades: Construcción del banco de pruebas con el modelo determinado por el diseño. Y las modificaciones previstas en la etapa de diseño. Se realizan pruebas de fugas o estanqueidad en el sistema y pruebas de funcionamiento del circuito termodinámico.
Etapa 4. Diseñar prácticas de laboratorio aplicadas al banco de pruebas de refrigeración para un sistema básico de aire acondicionado con tecnología inverter. Para alcanzar este objetivo se llevaron a cabo las siguientes actividades: Se desarrollaron prácticas en el banco de pruebas aplicadas a la tecnología inverter, con el manejo de las variables establecidas y con los resultados obtenidos se elaboraron las guías de laboratorio teniendo en cuenta cada uno de los pasos de implementación del banco de pruebas. Cuyo objetivo es generar un aprendizaje de las buenas prácticas de refrigeración.
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4. DESARROLLO DEL PROYECTO 4.1 ETAPA1. Analizar el comportamiento de un sistema Aire Acondicionado con unidad condensadora y evaporadora separados tipo Split con tecnología inverter. Para alcanzar este objetivo objetivo se llevaron a cabo las siguientes actividades: Se realizó un estudio de la tecnología inverter y así llevar a la realidad los objetivos del presente trabajo investigativo, por lo cual fue necesario dejar en claro una serie de fundamentos teóricos que lo sustentan. Revisión bibliográfica: En esta actividad se recopilo mucha información de diferentes fuentes, por lo cual se convirtió en una de las actividades con mayor influencia en el desarrollo del trabajo. Fue necesario crear un filtro para canalizar únicamente la información de interés para el proyecto.
4.1.1 Eficiencia energética. La eficiencia o rendimiento de un proceso de cambio energético es el cociente entre la energía utilizable (después del cambio) y la energía inicial.7
En una máquina termodinámica funcionando cíclicamente entre dos fuentes de calor a diferentes temperaturas, transforma calor en trabajo con una eficiencia (E) dada como:8 E= trabajo realizado / trabajo absorbido. E = (Q (Q2 2 – Q1) / Q2
Sin embargo, si la máquina es una máquina ideal (máquina de Carnot), su eficiencia es: 7 CARTA,
José Antonio. Centrales de energías renovables. Pag. 15 Humberto. Conceptos fundamentales sobre energía. Energía. Sus perspectivas, su conversión y utilizaciones en Colombia. PUIE. Empresa de energía de Bogotá. Universidad Nacional de Colombia. 8 RODRIGUEZ,
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E = (T2 (T2 – T1) T1) / T2
“Las leyes que gobiernan la energía son la primera y la segunda ley de la termodinámica.
4.1.1.1 Primera Ley de la Termodinámica. La formulación común de la primera ley de la termodinámica es: “la energía no puede ser creada ni destruida sino que solamente puede transformarse de una forma a otra”. Si el estado de un sistema cambia al recibir una determinada cantidad de calor dQ y con este cambio el sistema realiza una cantidad de trabajo dW, entonces, de acuerdo a la primera ley de la termodinámica, la cantidad de calor del sistema es igual al trabajo externo realizado por el sistema y al cambio de energía interna del mismo dU: dQ = dU + dW
4.1.1.2 Segunda ley de la Termodinámica. Aunque el calor y el trabajo son ambas formas de la energía, desde el punto de vista de la termodinámica son formas cualitativamente diferentes. Hay varias formulaciones de la segunda ley, todas equivalentes entre sí. Se consideran dos de ellas a continuación: Formulación de la Entropía. Durante cualquier proceso, la entropía S (desorden) puede aumentar o permanecer constante pero nunca disminuir. dS > 0 dS = (Q1 (Q1 / T1) – (Q2 / T2) >= 0 En donde Qi y Ti son la fuente i, respectivamente 1 y 2.
Esta ley permite clasificar los procesos como reversibles, irreversibles e imposibles. Un proceso es irreversible si la entropía aumenta, es reversible si no cambia. Esto es:
Si dS > 0 Proceso irreversible. Si dS = 0 Proceso reversible. Si dS < 0 Proceso imposible.
Formulación de Kelvin – Planck. Es imposible construir un dispositivo que 49
trabajando cíclicamente extraiga calor de una fuente y lo convierta totalmente en trabajo. En una máquina termodinámica funcionando cíclicamente entre dos fuentes de calor a diferentes temperaturas, transforma calor en trabajo con una eficiencia (E) dada como: E= trabajo realizado / trabajo absorbido E = (Q (Q2 2 – Q1) Q1) / Q2
Sin embargo, si la máquina es una máquina ideal (máquina de Carnot), su eficiencia es: E = (T2 (T2 – T1) T1) / T2
En resumen:
No es posible convertir el calor de una sola fuente totalmente en trabajo. El trabajo puede transformarse totalmente en en calor y ser entregado a una sola fuente, pero el proceso es irreversible. La conversión de calor en trabajo es posible empleando dos fuentes de calor a temperaturas diferentes pero su eficiencia es limitada y menor de 1. Ninguna máquina real trabajando entre dos fuentes de calor es más eficiente que una máquina de Carnot trabajando entre las mismas fuentes.” 9
4.1.2 Ciclo termodinámico. Para transportar calor desde un foco a baja temperatura a otro a alta temperatura es necesario la aportación de energía e interviene un fluido, refrigerante, que sufre una serie de transformaciones termodinámicas. Cada refrigerante tiene un comportamiento definido y diferente Los ciclos evitan la reposición continua del refrigerante Figura 4.1. Ciclo termodinámico.
9 RODRIGUEZ,
Humberto. Conceptos fundamentales sobre energía. Energía. Sus perspectivas, su conversión y utilizaciones en Colombia. PUIE. Empresa de energía de Bogotá. Universidad Nacional de Colombia.
50
Fuente: Autor.
4.1.3 Variables termodinámicas del proceso. Las temperaturas a las cuales debe operar el sistema están en función de las presiones, por lo tanto debe tenerse claridad en la relación existente entre la temperatura y la presión que correlacionan la presión del vapor y el punto de ebullición del refrigerante que se está usando. A continuación se estudiaran a fondo las variables que intervienen en el comportamiento del sistema. 4.1.3.1Temperatura. La temperatura es definida como una indicación de la intensidad o grado de calor de una sustancia u objeto. El concepto de temperatura está asociado a la idea cualitativa de caliente o frío, pues un cuerpo caliente tiene una gran temperatura y un cuerpo frío tiene una baja o muy poca temperatura, en física la temperatura es considerada como una medida indirecta de la energía interna ya que un cuerpo caliente tiene una gran energía interna y por el contrario un cuerpo frío tiene muy poca energía interna. la refrigeración se habla de presión porque se trata del 4.1.3.1 Presión. En la manejo de gas o líquido, mientras que la contraparte de la presión en los sólidos es el esfuerzo normal. Puesto que la presión se define como la fuerza por unidad de área. Matemáticamente se expresa así: Donde F: fuerza [N] A: área [m2] P: presión [N/m2]
p = F/A
Tiene como unidad el newton por metro cuadrado (N/m2), también conocida como pascal (Pa). Es decir
51
1 Pa = 1 N/m2 N/m2
La unidad de presión pascal es demasiado pequeña para las presiones que se suscitan en la práctica. De ahí que sus múltiplos kilopascal (1 kPa = 103 Pa) y megapascal (1 MPa = 106 Pa) se usen más comúnmente. Otras tres unidades de presión de uso extendido, principalmente en Europa, son bar, atmósfera estándar y kilogramo fuerza por centímetro cuadrado: Tabal 4-1 Unidades de presión bar, atm y kgf/cm 2. 1 bar = 105 Pa = 0.1 MPa = 100 kPa 1 atm = 101,325 Pa = 101.325 kPa = 1.01325 bars 1 kgf/cm2 = 9.807 N/cm2 = 9.807x104 N/m2 = 9.807x104 Pa = 0.9807 bar= 0.9679 atm
Fuente: https://es.wikipedia.org/wiki/Unidades_de_presión. Las unidades de presión bar, atm y kgf/cm 2 son casi equivalentes entre sí. En el sistema inglés, la unidad de presión es la libra fuerza por pulgada cuadrada (lbf/pulg2, o psi), y 1 atm = 14.696 psi. ps i.
Las unidades de presión kgf/cm 2 y lbf/pulg2 también se denotan por kg/cm 2 y lb/pulg2, respectivamente, y se usan regularmente en medidores de presión de llantas. Se puede demostrar que 1 kgf/cm 2 = 14.223 psi. En fluidos se habla de presión cuando se ejerce una fuerza sobre las paredes de la tubería, la fuerza no se ejerce sobre un punto concreto, si no que se reparte sobre toda la superficie. En sistemas de aire acondicionado tipo Mini Split o Mini split inverter se trabajan dos presiones la línea de alta presión que va desde la descarga del compresor hasta la válvula de expansión y la línea de baja presión que va desde la salida de la válvula de expansión hasta la succión del compresor. En la mayoría de los casos se asume presión constante debido a que la línea o tubería por donde se transporta el refrigerante no tiene cambios de sección lo que hace que no haya deltas o variaciones de presiones.
4.1.4 Ciclo de Carnot. El ciclo de Carnot inverso o ciclo de refrigeración de Carnot, es usado para calcular la máxima eficiencia térmica de un ciclo de refrigeración entre dos temperaturas. 52
Es decir Para conseguir la máxima eficiencia la máquina térmica debe tomar calor de un foco caliente, cuya temperatura es como máximo Tc y verter el calor de desecho en el foco frío, situado como mínimo a una temperatura Tf. Para que el ciclo sea óptimo, todo el calor absorbido debe tomarse a la temperatura máxima, y todo el calor de desecho, cederse a la temperatura mínima. Por ello, el ciclo que se busca debe incluir dos procesos isotermos, uno de absorción de calor a Tc y uno de cesión a Tf. Para conectar esas dos isotermas (esto es, para calentar el sistema antes de la absorción y enfriarlo antes de la cesión), se debe incluir procesos que no supongan un intercambio de calor con el exterior (ya que todo el intercambio se produce en los procesos isotermos). La forma más sencilla de conseguir esto es mediante dos procesos adiabáticos reversibles. Por tanto, la máquina térmica debe constar de cuatro pasos o procesos reversibles:
C→D Absorción de calor Qc en un proceso isotermo a temperatura Tc. D→A Enfriamiento adiabático hasta la temperatura del f oco frío, Tf. A→B Cesión de calor | Qf | al foco frío a temperatura Tf. B→C Calentamiento adiabático desde la temperatura del foco frío, Tf a la temperatura del foco caliente, Tc. Figura 4.2. Ciclo de Carnot
Fuente: Fuente: http://laplace.us.es/wiki/index.php/Ciclo_de_Carnot. 53
Proceso de compresión adiabática reversible: Se comprime el fluido de trabajo de manera reversible, aumentando la temperatura y aislando el sistema de compresión para evitar la transferencia de calor desde la zona de temperatura alta a la de baja temperatura. Básicamente el gas se vuelve a aislar térmicamente y se sigue comprimiendo. La temperatura sube como consecuencia del trabajo realizado sobre el gas, que se emplea en aumentar su energía interna. Los puntos de este camino están unidos por una curva dada por la ley de Poisson. pV γ = cte cte
TV TV γ− = cte
Proceso de compresión isotérmica reversible. En éste se da un intercambio de calor entre la zona de alta temperatura y un depósito de calor, generalmente es el ambiente, mientras el fluido disminuye su volumen específico, el intercambio de calor evita el cambio de temperatura por el cambio de presión. Una vez vez que que ha alcanzado la temperatura del foco frío, el gas vuelve a ponerse en contacto con el exterior (que ahora es un baño a temperatura Tf). Al comprimirlo el gas tiende a calentarse ligeramente por encima de la temperatura ambiente, pero la permeabilidad de las paredes permite evacuar calor al exterior, de forma que la temperatura permanece constante. Este paso es de nuevo una hipérbola según la ley de los gases ideales. pV = RTf
Proceso de expansión adiabática reversible. El fluido de trabajo que viene a alta presión comienza a expandirse sin intercambio de energía hasta alcanzar una temperatura baja usada en el evaporador para lograr el enfriamiento de los productos. Es decir el gas se aísla térmicamente del exterior y se continúa expandiendo. Se está realizando un trabajo adicional, que ya no es compensado por la entrada de calor del exterior. El resultado es un enfriamiento según una curva dada por la ley de Poisson. pV γ = cte cte
TV TV γ− = cte
Proceso de expansión isotérmica reversible: Aquí se da un proceso de transferencia de calor entre el sumidero y el fluido de trabajo, el cambio en el calor permite conservar la temperatura baja. Para entender más fácilmente los conceptos de refrigeración se debe tener claro el ciclo termodinámico anteriormente mencionado, para así abordar el ciclo ideal, el cual nos brinda una idea de cómo se logra la adecuación de los ambientes.
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pV = nRTc
4.1.5 Ciclo frigorífico. El ciclo frigorífico se puede describir como una secuencia de cambios de estado de un refrigerante. Esta secuencia se desarrolla periódicamente y siempre vuelve a alcanzar el estado de salida (ciclo). En la refrigeración, tienen especial relevancia las variables de estado como presión, temperatura y densidad, así como la dependencia de estas variables de estado entre sí. Figura 4.3 Ciclo frigorífico.
Fuente: thermodynamics-of-refrigeration_spanish 10Los
procesos termodinámicos en el ciclo frigorífico son complejos. Debido a los tres diferentes estados del refrigerante (líquido, en ebullición y gaseoso), el cálculo mediante fórmulas y tablas requiere un esfuerzo considerable. Por ello, se introdujo el diagrama log p-h a modo de simplificación. Con ayuda de un diagrama log p-h, es posible representar gráficamente las diferentes variables de estado según sus dependencias. Para cada punto de estado, es posible leer directamente las variables de estado termodinámicas, quedando así disponibles para cálculos posteriores. Las cantidades de calor, el trabajo técnico o las diferencias de presión de una variable de estado están representados como segmentos conmensurables. El uso del diagrama log p-h facilita enormemente los cálculos termodinámicos y es imprescindible para la comprensión del funcionamiento de instalaciones frigoríficas.
4.1.5.1 Diagrama log p-h. El diagrama fue creado en 1904, cuando Richard Mollier trazó Mollier trazó el calor total contra la entropía. En la Conferencia de Termodinámica de 1923 celebrada en Los Ángeles se decidió nombrar, en su honor, como un 10
thermodynamics-of-refrigeration_spanish. thermodynamics-of-refrigerat ion_spanish.
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"diagrama de Mollier" cualquier diagrama termodinámico que usase la entalpía h como uno de sus ejes. El diagrama Ph, o diagrama de Mollier para presión entalpía, es la representación gráfica en una carta semilogarítmica en el plano Presión/entalpía de los estados posibles de un compuesto químico especialmente para los gases refrigerantes y es en ella donde se trazan y suelen estudiar los distintos sistemas frigoríficos de refrigeración por compresión. Básicamente el diagrama está compuesto por dos ejes principales y tres zonas delimitadas por una curva de saturación. En el eje de las ordenadas se registra el valor de Presión en (bar) -para diagramas Ph en SI-, eje graduado en escala logarítmica. En el eje de las abcisas se registra el valor de entalpía en unidad de masa en [kJ/kg] o [kcal/kg]. Una curva de saturación con forma de “U” invertida la cual determina si el compuesto se encuentra en estado de: líquido subenfriado, líquido saturado, mezcla líquidovapor, vapor saturado o vapor sobrecalentado (color rojo). A su vez se definen seis tipos de trazas a través de las cuales se describen los ciclos de refrigeración y los estados de agregación de la materia. (Ver figura 4.4).
4.1.5.2 Entalpía. Es una magnitud termodinámica, simbolizada con la letra H mayúscula, definida como el flujo de energía térmica en los procesos químicos efectuados a presión constante cuando el único trabajo es de presión-volumen, es decir, la cantidad de energía que un sistema intercambia con su entorno. En palabras más concretas, es una función de estado de la termodinámica donde la variación permite expresar la cantidad de calor puesto en juego durante una transformación isobárica, es decir, a presión constante en un sistema termodinámico, teniendo en cuenta que todo objeto conocido se puede entender como un sistema termodinámico. Se trata de una transformación en el curso de la cual se puede recibir o aportar energía (por ejemplo la utilizada para un trabajo mecánico). En este sentido la entalpía es numéricamente igual al calor intercambiado con el ambiente exterior al sistema en cuestión. 11 Figura 4.4. Diagrama Ph o Presión/entalpía
11 https://es.wikipedia.org/wiki/Entalp%C3%ADa.
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Fuente: thermodynamics-of-refrigeration_spanish.
4.1.6 Refrigeración en aires acondicionados. Los aires acondicionados poseen un ciclo de refrigeración formado por cuatro componentes: Compresor, Condensador, Válvula de expansión y Evaporador. En este sistema, el compresor succiona gas refrigerante a baja presión y temperatura del evaporador, en el cual se realiza el intercambio directo de calor entre el aire y el refrigerante para luego ser comprimido y enviado a alta presión y temperatura hacia el condensador, ubicado en el exterior para así rechazar el calor del evaporador más el trabajo del compresor. Finalmente el refrigerante condensado a alta presión y temperatura se expande a través de un dispositivo de expansión, que puede ser un capilar o generalmente una válvula de expansión; hasta la baja presión y temperatura del evaporador, para iniciar nuevamente el ciclo.
4.1.6.1 Aires acondicionados tipo mini split. Cuando hablamos de un sistema de aire acondicionado mini Split en realidad se está está hablando de un sistema minidividido como lo expresa su traducción, estableciendo que está compuesto de dos 57
unidades principales evaporador y condensador. Los sistemas de aire acondicionado tipo mini Split son equipos utilizados para el acondicionamiento de aire principalmente en los hogares, bien sea para un generar un ambiente más caliente o más frio según el confort deseado por el usuario. La unidad interior (evaporador) más utilizado en los hogares es el Mini Split High Wall (Pared Alta), como su nombre lo indica es a que se instala en la parte alta de una pared. Sin embargo también se pueden instalar evaporadores en el techo de la habitación o en la pared pero en la parte baja recostado en el piso, estas unidades son conocidas como Mini Split Piso Techo (o Minisplit Flexiline ). La unidad exterior (condensador) está diseñada para ubicar en exteriores bien sea azoteas o patios, para asegurar una mayor cantidad de aire fresco de entrada debido a que esta expulsa el aire caliente obtenido del lugar a climatizar, también se recomienda ubicarlos en lugares que no absorban tanto calor, es decir, que estén a la sombra debido a que esto refrescara el equipo ayudando a reducir su consumo energético. Estas dos unidades deben estar conectadas entre sí por medio de unas tuberías de cobre para garantizar la circulación y conservación de las propiedades térmicas del refrigerante, en cuanto a la parte eléctrica debe existir un cableado que permita el accionamiento del compresor para generar el encendido del mini Split. En la siguiente figura se muestra el ensamble básico entre la parte eléctrica, tuberías y evaporador y condensador. Figura 4.5 Conexión eléctrica.
58
Fuente: Figura 4.6 Conexión mecánica.
Fuente: 4.1.6.2 Ventajas y desventajas Comparación sistema de aire acondicionado tipo mini Split y el sistema de aire acondicionado de ventana. 59
En los tipo mini Split la unidad que contiene contiene el compresor se encuentra en el exterior del edificio y se comunica con la unidad interior (evaporador condensador) mediante unos tubos facilitando la instalación. En comparación con los de ventana el agujero que se hace en la pared para la instalación es relativamente pequeño. Estos equipos vienen con diferentes capacidades de refrigerar medias con una unidad de medida energética llamada BTU (Calor requerido para producir aumento en la temperatura de 1°F en 1 libra de agua.
4.1.6.3 Tecnología inverter. Los equipos de aire acondicionado convencionales por lo general tienen un termostato que sensa la temperatura del ambiente y hace que el compresor del equipo funcione y enfríe hasta llegar a la temperatura establecida. Una vez alcanzada esta temperatura el equipo se detiene hasta que la temperatura vuelva a subir unos 2 grados o más dependiendo la calidad del sensor y el equipo vuelve a arrancar y a enfriar hasta llegar a la temperatura deseada una y otra vez, sería un trabajo conocido como ON – ON – OFF. OFF. A diferencia del sistema convencional la tecnología inverter o compresor inverter permite que el equipo en vez de funcionar a una capacidad fija pueda variar su frecuencia y regular el ciclo eléctrico del equipo de aire acondicionado. Figura 4.7. Señales aire acondicionado inverter.
Fuente: Fuente: http://vaac.com.mx/compresor-inverter
Técnicamente el sistema permite que el equipo se adapte a las necesidades del ambiente en el momento, haciendo que el consumo de energía sea solo la que realmente se necesita entregando un mayor confort al usuario ya que mantiene la 60
temperatura del ambiente en un margen entre -0,5 y + 0,5 grados de lo configurado. control de un sistema de aire acondicionado inverter trabaja Control inverter . El control con un circuito electrónico que transforma la corriente eléctrica alterna alterna con frecuencia entre 50 o 60 Hz, en corriente directa y luego la transforma a alterna nuevamente con la diferencia de que esos 50 o 60 Hertz de frecuencia o ciclos por segundos pueden ser regulados desde 30 hasta 120 ciclos ciclos por segundo, siendo estos los que determinan la velocidad de giro del motor, en el caso del compresor este viene diseñado con un motor (parte eléctrica interna del compresor) para poder variar su velocidad dependiendo de la cantidad de ciclos por segundo o Hertz que le envié el sistema inverter . Figura 4.8. Sistema de control inverter
Fuente: Fuente: http://vaac.com.mx/compresor-inverter
Compresor tecnología inverter. El compresor del aire acondicionado inverter es 61
diferente en su funcionamiento al del compresor normal ya que tiene la particularidad de poder variar su velocidad de funcionamiento y técnicamente se llama compresor rotativo de corriente alterna. Características técnicas:
El Compresor de aire acondicionado inverter se compone de dos dos cámaras de compresión fijas. Consta de un rodillo excéntrico para comprimir el líquido en cada cámara. Los dos rodillos están montados sobre el mismo eje y están diametralmente opuestos. Esta configuración configuración permite un perfecto perfecto equilibrio equilibrio de las tensiones aplicadas aplicadas sobre los ejes lo cual evita las vibraciones, que prácticamente desaparecen. La reducción de las vibraciones disminuye el ruido y hace que la la vida del compresor aumente.
Figura 4.9. Compresor tecnología inverter
Fuente: Fuente: http://vaac.com.mx/compresor-inverter
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Ventajas del sistema inverter en refrigeración. Los equipos inverter tienen un nivel sonoro de la mitad que los equipos convencionales, por lo cual son extremadamente silenciosos. Además, tienen mejor rendimiento en el modo bomba de calor ya que el ventilador de la unidad exterior puede modular su velocidad también y absorber el poco calor que hay en el exterior, acortando los ciclos de descongelado del equipo. Por todo lo dicho, estos equipos son recomendados para zonas donde la temperatura es inferior a los 0 grados. Con respecto a la temperatura en la figura 4.10 podemos observar el comportamiento de un modelo convencional, donde la temperatura del recinto cae rápidamente cuando el compresor se detiene, haciendo fluctuar la temperatura efecto que se puede sentir por parte del usuario causando una mala sensación; en el modelo inverter el rango de fluctuación de la temperatura es menor dado que cada vez que se alcanza la temperatura deseada el compresor no se detiene, sino que continua realizando el control de a temperatura disminuyendo o aumentando las revoluciones de giro en el motor.
Figura 4.10. Comparación sistema tradicional Vs tecnología inverter.
Fuente:
4.1.6.4 Selección del equipo para el proyecto. Para seleccionar el equipo se tuvieron en cuenta los siguientes parámetros según la tabla 4-2
63
Tabla 4-2 Parámetros de selección PARAMETROS DE SELECCION Potencia nominal frío Potencia nominal calor Consumo nominal frío Consumo nominal calor Eficiencia energética (SEER) Ratio de eficiencia energética estacional (SCOP) Coeficiente energético frío Coeficiente energético calor Potencia sonora interior mínima Potencia sonora exterior mínima Tipo de filtro
Fuente: Autores del proyecto En la tabla anterior los parámetros SEER y SCOP tienen relación con la eficiencia energética y el consumo, por lo tanto, se reflejan en la facturación del servicio de energía.
SEER. significa "Ratio de eficiencia energética estacional" y es el estándar que determina el rendimiento de un aparato en refrigeración. Por ejemplo, el rendimiento de un aire acondicionado en el modo frío. Gracias al SEER podemos calcular el consumo de un aparato en frío: cuanto mayor sea el SEER, más eficiente será el equipo que se vaya a comprar, aunque el costo del equipo también será más elevado. SCOP. Significa "Coeficiente de eficiencia estacional" y determina, en este caso, el rendimiento en calefacción, y por lo tanto, con él podemos calcular el consumo de un equipo en calor. En la tabla 4-3 presentamos los Parámetros Parámetros de eficiencia SEER – SEER – SCOP. SCOP.
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Tabla 4-3 Parámetros de eficiencia SEER - SCOP
Fuente: https://inarquia.es/aire-acondicionado-eficiente-economico
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Tabla 4-5 Comparación de marcas y modelos. Marca
ELECTROLUX
Modelo Consumo de energía kW/mes Eficiencia energética W /We t/We (SEER) Voltaje V
EAIX09A2RSEUW
Capacidad de enfriamiento Vatios
MABE
SAMSUNG
AR09MVFHCWK MMT09CDBWCCC8 MMT09C DBWCCC8 AR09MVFHCWK
KALEY
HACEB
K-AC92O
AAFS09220BL
116
117,6
113
116,69
118,8
3,00
3,02
3,24
3,01
2,93
220
220
220
220
220
2638
2456
2766
2600
2638
Fuente: Autores del proyecto
Figura 4-11 Etiqueta de la eficiencia energética.
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De acuerdo la tabla 4-5 y la 4-1 figura la marca seleccionada fue Samsung con el modelo AR09MVFHCWHN de 9000 BTU, se escogió esta marca y modelo porque mostro los mejores valores en cuanto los siguientes parámetros
Consumo de energía kW/mes
Eficiencia energética W t/We (SEER)
Voltaje 220 Vac
Capacidad de enfriamiento Vatios
De acuerdo a los datos obtenidos en la etiqueta de eficiencia que viene en el equipo seleccionado el SEER nos indica una eficiencia energética de 3,24 y el dato en la placa de consumo del equipo que es de 2,64 Kw. Se calculó el consumo energético por hora (kW/h). /ℎ=2,64/3,24=0,814 Kw/H
En este caso, el consumo del aire acondicionado sería 0,814 kW/h está definido dentro de la clasificación SEER como tipo D.
4.1.7 Resultados del proceso:
Empoderamiento de la teoría termodinámica aplicada al proyecto.
Conocimiento de la tecnología inverter.
Conocimiento del sistema eléctrico básico para el funcionamiento de los equipos inverter.
Selección del equipo para el proyecto.
4.2 ETAPA 2. Diseñar el banco de pruebas de refrigeración para un sistema básico de aire acondicionado con tecnología inverter.
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Para alcanzar este objetivo se llevaron a cabo las siguientes actividades: Se realizó el diseño teniendo en cuenta que el desarrollo de este equipo pretende que el alumno observe fenómenos físicos, implicados con la transferencia de calor y la termodinámica; aplicados al funcionamiento de equipos de aire acondicionado. de las las medidas del 4.2.1 Diseño del chasis. Para el del chasis se parte de evaporador y del condensador según el manual de instalación:
Condensadora 288 mm x 660 mm x 4900mm
Evaporadora
175 mm x 285 mm x 820 mm respectivamente
Luego se diseña el plano del chasis con base en el material: Tubo rectangular calibre 18 de 1” ½ x 3” Ver figura 4-11. Se determina el diseño del tablero frontal del módulo donde va a quedar ubicada toda la circuitería electrónica tanto la tarjeta del inverter como la electrónica rediseñada para el control. Las dimensiones son: 1,15 mts x 0,60 mtrs Figura 4-11 Plano estructural del chasis
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Fuente: Autores del proyecto En el diseño se establece para soportar el chasis sobre 4 ruedas o rodachinas que permiten el desplazamiento del equipo. Se calculó el peso del banco didáctico de la siguiente forma:
Material estructural del chasis= 21 kilos. El equipo Condensadora y evaporadora = 36 kilos. Tablero frontal = 11 kilos. Tubería + válvulas + deposito + elementos eléctricos eléctricos = 20 kilos.
Para un peso total de 86 kilos.
4.2.2 Rediseño del circuito termodinámico. Se realiza el rediseño del circuito termodinámico teniendo en cuenta la simulación de fa llas por fugas en el e l sistema y para esto fue necesario recalcular la red de ductos o tuberías de cobre.
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Para rediseñar el circuito termodinámico y simular una falla por fuga de refrigerante se tuvo en cuenta que este no puede liberarse a la atmosfera por protección del medio ambiente según protocolo de Montreal. Se rediseño el circuito de alta presión en el sistema de condensación incluyendo un bypass con 2 válvulas solenoides 2 a 2 de 3/8 “ y una de ½ “ 2 a 2 normalmente cerradas se hizo necesario extender la tubería de cobre a la salida del compresor, esto con el fin de crear una fuga de refrigerante que será almacenado en un depósito y de esta forma simular una fuga y posteriormente devolverlo al sistema a través de un bypass con válvulas solenoides y antiretorno, el refrigerante sobrante continuaría al serpentín del condensador a través una válvula solenoide 2 a 2 mostrando un baja presión que normalmente es de 3040 Psi (Ver figura 4-12). Figura 4-13 Circuito termodinámico rediseñado.
Fuente: Autores del proyecto.
Como hubo necesidad de extender la tubería de alta presión que sale del 70
compresor, fue necesario calcular la cantidad de refrigerante extra que debía adicionarse al sistema para de este modo mantener la presión de trabajo y el funcionamiento normal del equipo. En total se adiciono 1,8 metros lineales de tubería de cobre flexible de 3/8”, pero se redujo la longitud lineal de la tubería de cobre de la unidad evaporadora y la unidad condensadora, por tanto la cantidad de tubería de cobre de 3/8” que se adiciono fueron fue ron 0,8 metros y según el manual del equipo del fabricante este aumento de tubería es mínimo y no afecta el funcionamiento del equipo. Recomienda un máximo de 7 metros de tubería entre la unidad condensadora y condensadora.
4.2.3 Cálculos de volumen extra. Para calcular el volumen extra con el que se debe llenar de refrigerante el sistema se siguió los siguientes pasos: Especificar la longitud de diámetro y total del tubo interior y exterior de la la tubería. Todas las dimensiones están en milímetros. Cálculo de tuberías basados en la fórmula V = (π ∗ R1 ∗ R1 ∗ L)/1000 . Para volumen extra nos dé en litros de refrigerante V = (3,1416 x (0,95 mm)2 x 1800 mm)/1000 = 5.1 litros R1 =radio interior del tubo = 0,95 mm R2 =radio exterior del tubo = 11 mm L =longitud de la tubería = 1800 mm Los datos para la tubería se obtuvieron del manual de tubería de cobre y soldadura de cobre, donde describen las características de las tuberías, el modo de manipulación y el uso de la soldadura de plata. (Ver ANEXO C.) C.) Figura 4-13 Manual de tubería de cobre
71
Fuente: Fuente:https://ingemecanica.com/tutorialsemanal/objetos/figutut208/manual_tecnico_cob re.pdf
4.2.4 Resultados del proceso:
El circuito termodinámico termodinámico en su etapa de rediseño quedo listo para la implementación del sistema. El diseño estructural del banco didáctico didáctico está listo para su construcción. construcción.
4.3 ETAPA 3. Implementar el banco de pruebas de refrigeración para un sistema básico de aire acondicionado. Sistema mecánico y termodinámico con tecnología inverter. Para alcanzar este objetivo se llevaron a cabo las siguientes actividades:
Construcción del banco banco de pruebas con el modelo determinado por el diseño. Y las modificaciones previstas en la etapa de d e rediseño. 72
Se realizan pruebas de fugas o estanqueidad en el sistema y pruebas de funcionamiento del circuito termodinámico.
4.3.1 construcción del chasis. De acuerdo al diseño del chasis y siguiendo el plano se realizó el corte del material referido en el diseño, tubo rectangular calibre 18 de 1” ½ x 3” y luego se hizo el ensamble aplicando soldadura eléctrica. Este trabajo se realizó en los talleres de soldadura del SENA como se puede evidenciar en el registro fotográfico. Fotografía 4-1
Fuente: autores del proyecto
Después de pintado el chasis se ensambla el tablero frontal y el depósito para acumular el gas en la la falla programada para simular las fugas en el sistema sistema de presión alta en la condensadora. Ver fotografía 4-2.
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Fotografía 4-2 Ensamble Tablero frontal y depósito de gas.
Fuente: autores del proyecto.
4.3.2 proceso de instalación del inverter . Para iniciar con el proceso de la instalación se revisó el manual de usuario e instalación ya que el equipo es nuevo y se siguieron las instrucciones paso a paso descritas en el manual del fabricante se rectificaron algunos parámetros que son importantes para garantizar la seguridad en la instalación y el e l funcionamiento del equipo. Primeramente se debe hacer una inspección visual del estado de los subsistemas del inverter que viene embalado de fábrica: (evaporador, condensador, compresor, 74
ventilador, carcasas de los equipos, ducteria y accesorios con el fin de verificar que no vengan elementos defectuosos y encaso tal se pueda pedir la garantía, este proceso es muy importante porque en caso de no efectuarse correctamente y por personal calificado se puede perder la garantía. Se verifico la flexibilidad de los ductos de salida del condensador, de la tubería encargada del transporte del refrigerante, de la parte eléctrica (para reducir vibraciones). Fotografía 4-3 Revisión de todos los elementos del equipo.
Fuente: autores del proyecto.
4.3.2.1 Ensamble del equipo en el chasis: Se ensambló la condensadora y evaporadora en el chasis conservando las medidas originales e instrucciones del manual
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Fotografía 4-4 Ensamble del equipo en el chasis.
Fuente: autores del proyecto
4.3.3 Proceso de recuperación del refrigerante .El sistema de aire acondicionado tipo Mini Split inverter viene con una precarga de refrigerante, la cual debe ser liberada del sistema, es decir, se debe hacer una despresurización en el sistema para dejar el sistema sin carga. La recuperación es remover el refrigerante de un sistema en cualquier condición que se encuentre, y almacenarlo en un recipiente externo, sin que sea necesario hacerle pruebas o procesarlo de cualquier manera. Es importante importante hacer el proceso de recuperación del refrigerante debido a que este no puede ser liberado a la atmosfera ya que ocasionaría daños a la capa de ozono. Este trabajo de
76
grado se centra en el uso de las buenas prácticas de refrigeración, a continuación se explica por una serie de pasos el proceso de recuperación del refrigerante.
Se identifica identifica la línea de succión y descarga del sistema, es decir, las líneas líneas de alta y baja presión del sistema
Fotografía 4-5 líneas de alta y baja presión
Fuente: Autores del proyecto
Se conectan el árbol de manómetros (medidores de presión) al sistema y al cilindro o trampa de almacenamiento del refrigerante. Para realizar este paso se deben cerrar las válvulas del árbol de manómetros y la del cilindro o trampa. La manguera azul debe ir conectada a la succión (entrada del compresor) y al manómetro azul del árbol de manómetros. La manguera amarilla debe ir conectada a la línea de servicio del árbol de 77
manómetros (en la mitad del árbol) y el otro extremo a la válvula del de entrada del cilindro de recuperación o trampa. En la siguiente ilustración se muestra el árbol de manómetros y su denominación por colores. Línea de baja (azul), línea de alta (roja), y línea de servicio (amarilla).
Fotografía 4-6 identificaciones de las líneas en el árbol de manómetros.
Fuente: Autores del proyecto
Se conecta la maquina recuperadora y el cilindro cilindro de almacenamiento del refrigerante. Para esto las válvulas de admisión y escape del cilindro deben estar completamente cerradas, luego de esto se conecta por medio de una manguera la válvula de vapor del cilindro a la maquina recuperadora y la salida de la maquina recuperadora es conectada a la válvula de almacenamiento del refrigerante por medio de otra manguera.
Fotografía 4-6 Conexión de la máquina de vacío.
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Fuente: Autores del proyecto
Luego de tener todo el sistema de recuperación conectado se abren las válvulas y se enciende la maquina recuperadora. Las válvulas deben ser abiertas en orden, para garantizar la seguridad el proceso. Empezando desde el manómetro de baja presión del árbol, luego se pasa por las válvulas del cilindro o trampa, después por las de la maquina recuperadora y finalmente por las del cilindro de almacenamiento. Conectar la máquina de recuperación a la fuente de energía y encenderla. Para esto se debe abrir la perilla de entrada, girar la perilla de recuperación, oprimir el botón de encendido, pulsar el botón de arranque y finalmente abrir la perilla de salida. A si se garantiza la extracción total del refrigerante.
Este proceso se realizó estando el equipo nuevo porque se necesita hacer modificaciones en la tubería realizaron las modificaciones del circuito termodinámico
4.3.4 Proceso de construcción del Bypass: Se realiza la instalación de la tubería necesaria para el nuevo circuito de simulación de fallas por fugas . Se procede a realizar el corte en la línea de alta o descarga para insertar el nuevo circuito de BYPASS. 79
Y las electroválvulas 2 a 2 lo mismo que las válvulas anti retorno, se realiza todo el proceso de construcción utilizando soldadura de plata. Fotografía 4-7proceso de construcción del Bypass.
Fuente: Autores del proyecto
4.3.4.1 Elementos y accesorios utilizados en la construcción del Bypass. Para la construcción del bypass se utilizaron los siguientes elementos: 3 Válvulas tipo EVR-2 normalmente cerradas, Las válvulas solenoides de 80
accionamiento directo o servo accionadas trabajan con tensión de 220 Vac. Las válvulas EVR son aptas para líneas de líquido, aspiración y gas caliente con la mayoría de refrigerantes incluidos los refrigerantes inflamables. Figura 4-14 Válvula EVR-2 NC
Fuente: Autores del proyecto La válvula EVR2 está catalogada para trabajar con los siguientes refrigerantes
R-22/R-407C, R-134a, R-404A/R-507, R-410A,
R-407A, R-32, R-290, R-600, R-600a, R-1234yf,
R-1234ze, R-404A, R-407F, R-125, R-152A, R-448A,
R-449A, R-452A y R-450A.
Para consultar la lista completa de refrigerantes validados, se puede visitar el sitio web www.products.danfoss.com y realizar una búsqueda por códigos. Los refrigerantes se mostrarán como parte de los datos técnicos. 81
Se realizaron pruebas de presión las válvulas en el banco de trabajo antes de ser ser instaladas. Fotografía 4-9 Pruebas de la Válvula EVR-2 NC
Fuente: Autores del proyecto Válvulas anti retorno: se utilizaron dos. Este tipo de válvulas se utilizan en los sistemas de refrigeración, para evitar que el refrigerante (en forma líquida líquida o gaseosa) y el aceite fluyan en sentido contrario. Estas válvulas sólo permiten el flujo de refrigerante y aceite en un sólo sentido.
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Figura 4-14 Válvula anti retorno. Emerson MX
Fuente:https://climate.emerson.com/es-mx/products/refrigeration/commercialrefrigeration/refrigeration-controls/shut-off-valves Después de las pruebas en el banco se instalaron las válvulas y el sistema de bypass. Fotografía 4-9 Instalación del Bypass
Fuente: Autores del proyecto 83
4.3.5 Prueba de Vacío. La prueba de vacío es un proceso que debe ser realizado con mucho cuidado y responsabilidad, debido a que una mala práctica de este proceso puede ocasionar reducción de la vida útil del equipo. Este proceso se hace después de haber rectificado que en el sistema no se presentan fugas, la evacuación del gas o vacío se hace por medio de una bomba de vacío que es conectada a las tuberías del sistema. Para la selección de la bomba de vacío se debe tener conocimiento de la capacidad del sistema, para poder elegir la bomba de vacío adecuada debemos considerar que por cada pie cúbico por minuto o por cada 28,56 litros por minuto que dispone la bomba de vacío (capacidad), podemos emplearla para evacuar o deshidratar equipos con capacidad hasta 6 TR (18.000 Kcal/h o 72000 BTU/h).
4.3.6. Carga de refrigerante El proceso de carga de refrigerante debe hacerse inmediatamente después de haber generado el vacío y cerciorarse que el equipo este apagado para evitar daños del sistema, además de este deben tenerse muy claro las propiedades del refrigerante para saber si debe ser cargado en estado líquido o gaseoso. Se conecta la manguera de baja (azul) del árbol de manómetros a la línea de servicio del condensador y la manguera de servicio (amarilla) a la pipeta del refrigerante, luego se abre la válvula de alta del juego de manómetros y un poco la válvula de la pipeta del refrigerante (abastecer en estado líquido) e inmediatamente se debe cerrar la válvula de alta del árbol de manómetros para hacer una purga en la manguera de servicio. Después de realizar la carga se procede a realizar pruebas de estanqueidad. se deja el sistema un día con los manómetros conectados y se observa que la presión se mantiene lo cual nos indica que no se presentaron fugas más sin embargo el sistema se revisa con agua jabón para verificar.
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Fotografía 4-10 carga del refrigerante.
Fuente: Autores del proyecto En la figura se puede observar el circuito rojo que representa las modificaciones realizadas al sistema.
4.3.7 Resultados del proceso:
El circuito termodinámico en su etapa de construcción quedo listo y paso las pruebas realizadas. El diseño estructural del banco didáctico se implementó implementó en un 100%
85
4.4 ETAPA 4 Diseñar prácticas de laboratorio aplicadas al banco de pruebas de refrigeración para un sistema básico de aire acondicionado con tecnología inverter. Para alcanzar este objetivo se llevaron a cabo las siguientes actividades: Se desarrollaron prácticas en el banco de pruebas aplicadas a la tecnología inverter, con el manejo de las variables establecidas y con los resultados obtenidos se elaboraron las guías de laboratorio teniendo en cuenta cada uno de los pasos de implementación del banco de pruebas. Cuyo objetivo es generar un aprendizaje de las buenas prácticas de refrigeración.
4.4.1 Prueba de la falla por fugas en el sistema. Se llevó a cabo la prueba d la falla por fugas en el sistema, se accionaron la electroválvulas manualmente. Procedimiento: Ver fotografía 4-11 Se cierra V1 bloqueando el paso en la presión de alta y se abre V3 dando paso al gas hacia el deposito en los manómetros se puede observar cuando sube la la presión en el depósito y se cae a cero la del sistema. Después de un tiempo se procede a recuperar la presión del sistema, se cierra V3 y abren V1 y V2 dando paso de nuevo al gas hacia el sistema el cual después de un tiempo se normaliza en operación óptima. Fotografía 4-11 Prueba de la práctica p ráctica fallas de fugas en el sistema
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Fuente: Autores del proyecto Conjuntamente con las pruebas de presión se realizan las de corriente y temperatura estos procesos se describen por el estudiante encargado en su objetivo.
4.4.2 Diseño de las guías y prácticas de laboratorio. Se tomó un modelo de guía y se desarrollaron prácticas y guías para el sistema mecánico y termodinámico. Ver Anexo D Formato de la guia.
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4.4.3 Resultados del proceso:
Se desarrollaron prácticas en el banco de pruebas aplicadas a la tecnología inverter. Se elaboraron las guías de laboratorio laboratorio teniendo en cuenta cada uno de los los pasos de implementación del banco de pruebas para la termodinámica y mecánica.
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4.5 ANÁLISIS ECONÓMICO Cuadro 5. Presupuesto global global del proyecto PRESUPUESTO
MATERIA PRIMA (MP) DESCRIPCION
VALOR
Elementos y equipos de refrigeración: Aire acondicionado inverter, válvulas, tarjetas y elementos electrónicos, elementos eléctricos. Material metalmecánico para el chasis
$ 3.000.000
TOTA L
$ 3.000.000 3.000.000
MANO DE OBRA (MO) DESCRIPCION
VALOR
DESARROLLO DE INGENIERIA
$ 3.000.000
TOTA L
$ 3.000.000 3.000.000
COSTOS INDIRECTOS DE FABRICACION (CIF) DESCRIPCION
VALOR
LABORATORIOS UAN, BIBLIOTECA VIRUTAL
$300.000
ACCESO A INTERNET
$ 200.000
BIBLIOGRAFIA, CAPACITACION Y COSTOS DE IMPRESIÓN LIBROS Y DOCUMENTOS
$1.500.000
89
TOTAL
$2.000.000
TOTAL PRESUPUESTO DESCRIPCION
VALOR
MATERIA PRIMA (MP)
$ 3.000.000
MANO DE OBRA (MO)
$ 3.000.000
COSTOS INDIRECTOS DE FABRICACION (CIF)
$ 2.000.000
TOTA L
$ 8.000.000 8.000.000
Fuente: Autor del proyecto
4.5 ANÁLISIS DE IMPACTO AMBIENTAL Energía eléctrica y medioambiente. Para el desarrollo de este apartado se ha tenido en cuenta el artículo publicado en la página web de la empresa suministradora de energía eléctrica CENS con respecto al uso de los equipos de refrigeración. Por medio ambiente se entiende todo lo que rodea a un ser vivo. Entorno que afecta y condiciona especialmente las circunstancias de vida de las personas o de la sociedad en su conjunto. A continuación se analiza cómo afecta la generación de electricidad en el medio ambiente, que acciones se pueden tomar y las repercusiones que todo esto conlleva.
90
Con este proyecto se busca tomar conciencia de la aplicación correcta de estos sistemas en cuanto a diseño y manejo de los gases, para disminuir el impacto del efecto invernadero
Reciclaje de la instalación y de los materiales una vez finalizada la vida útil. El tipo de instalación o equipo que se está estudiando en este proyecto, se se pueden desmontar y reutilizar los equipos en otro lugar, recuperando antes el refrigerante con un equipo especial (ver Fotografía). Una vez instalados en la nueva ubicación, se tendrá que hacer una puesta a punto de la instalación en el nuevo lugar de funcionamiento, limpiar las tuberías de cobre de la instalación con nitrógeno, hacerle el vacío para quitarle la humedad, cargarla de refrigerante (no sirve el recuperado ya que se tiene que depurar y filtrar en una industria especializada y ponerle el aceite necesario a cada equipo para que los compresores de los equipos exteriores tengan un óptimo funcionamiento.
Las tuberías de cobre y los conductos también se pueden reutilizar, pero no es recomendable ya que ha tenido un estrés en su vida útil de funcionamiento y quizás no tengan el mismo nivel de seguridad o hayan perdido sus principales características constructivas y puede que no lleguen a dar el servicio que les es asignado, por ese motivo se tendría que reciclar.
91
En el sistema europeo todas las empresas de gestión de residuos tienen que identificarlos para determinar qué tipo de residuo es y qué propiedades particulares presenta. Con ello se consigue evaluar las opciones disponibles para su posterior tratamiento. Para ello existen dos sistemas de identificación y clasificación, compatibles entre sí.
Por un lado, el sistema nacional español basado en el Real Decreto 833/1988 y modificado por el Real Decreto 952/1997 para la identificación y codificación de los residuos peligrosos. En este sistema se aplican una serie de códigos obtenidos de diferentes tablas que nos dan información sobre las características del residuo, su origen y su destino final.
Por otro lado está el sistema europeo basado en el código LER. Este código proviene de la Lista Europea de Residuos, una relación armonizada de residuos que pretende facilitar la caracterización de éstos a partir de su origen y naturaleza, sin necesidad de recurrir a análisis más complicados. Esta lista asigna a cada residuo un código de seis cifras, el código LER
El código LER es la versión actualizada del código CER. Es necesario puntualizar que hasta la entrada en vigor de la Orden MAM/304/2002 los residuos peligrosos se identificaban a través de un código de seis cifras llamado CER, proveniente de las iniciales Catálogo Europeo de Residuos. A la entrada en vigor de la Orden MAM (20 de febrero del 2002) se sustituye la denominación de CER por LER correspondiente a la nueva Lista Europea de Residuos. (Ver tabla 4-6) Tabla 4-6 código CER CODIGO
CODIGO
LER
CER
Cobre
17 04 01
06.24
Cobre, bronce, latón
V41
Plástico y caucho
19 12 04
07.42
Plástico y caucho
V12, V61, V72, V71
Metales mezclados
17 04 07
06.32
Metales mezclados
V41
MATERIAL
DESCRIPCION
92
VIAS DE GESTION ORIENTATIVAS
Electrónica
20 01 36
08.23
Equipos eléctricos y electrónicos
V41
Refrigerante
14 06 01
01.11
Clorofluorocarburos (CFC)
V24
Lana de vidrio
10 11 03
12.51
Residuos de materiales de fibra de vidrio
T11
Aluminio
17 04 02
06.23
Aluminio
V41
Fuente http://www.minambiente.gov. http://www.minambiente.gov.co/index.php/normativa co/index.php/normativa 12Disposición
de Residuos y Equipos con Sustancias Agotadoras de la Capa de Ozono en Colombia. Desde mediados de la década de 1990, pero con mayor avance desde el año 2000, Colombia ha estado buscando la eliminación del consumo de las sustancias de los Anexos A y B, meta lograda en el año 2010, de conformidad con los compromisos y obligaciones adquiridas frente al Protocolo de Montreal. Los sectores industriales reconvertidos para esa fecha fueron: fabricación de equipos de refrigeración y aire acondicionado, especialmente refrigeración doméstica y comercial, fabricación de espumas de poliuretano y solventes. 13CAPITULO
III De la prevención de existencias de desechos o residuos peligrosos provenientes de plaguicidas Artículo 12.
Prevención de existencias desechos o residuos peligrosos provenientes de plaguicidas. De conformidad con las responsabilidades establecidas en la ley, los fabricantes, formuladores, importadores, envasadores y distribuidores de plaguicidas serán responsables, entre otros, de: a) Considerar en la elaboración de los productos, envases y empaques que, las características de diseño, fabricación, comercialización o utilización, favorezcan la prevención en la generación de residuos o desechos peligrosos o permitan su eliminación sin causar perjuicios a la salud humana y al medio ambiente; b) Asumir la responsabilidad directa de la gestión de los envases y empaques, o gestionar a través de un sistema organizado en conjunto con los distribuidores o
12 13
http://www.minambiente.gov.co/index.php/normativa http://www.minambiente.gov.co/index.php/normativa http://www.minambiente.gov.co/index.php/normativa/decreto http://www.minambiente.gov .co/index.php/normativa/decretoss
93
comercializadores, los residuos o desechos peligrosos de que trata el presente decreto.
14Como
consecuencia de la implementación de los diferentes programas y proyectos promovidos y financiados por el Protocolo de Montreal y orientados a la disminución y eliminación del consumo de Sustancias Agotadoras de Ozono (SAO), la reconversión voluntaria a tecnologías libres de estas sustancia por parte de grandes empresas y los controles realizados para la importación y el comercio de las SAO, se han presentado existencias de residuos de estas sustancias y equipos que las contienen que requieren disposición final.
Las principales fuentes de estos residuos de SAO son: i) refrigerantes CFC y HCFC inutilizables provenientes de las actividades de reciclaje y regeneración; ii) existencias de CFC (como fuente concentrada y diluida) recuperados de los equipos retirados de los usuarios finales; iii) existencias residuales de SAO (por lo general de CFC-11 y CFC-12) que quedan después de la eliminación gradual o la reconversión a tecnologías libres de SAO; iv) las reservas de CFC y HCFC que puedan existir en las empresas cerradas o en quiebra y v) el material confiscado por las autoridades aduaneras.
Esta temática ha sido abanderada por Colombia en los diferentes foros del Protocolo, lográndose que en julio de 2006, en la Reunión 26 del Grupo de Composición Abierta se discutiera un borrador de los términos de referencia, preparados por el TEAP, para la realización de estudios de caso sobre tecnologías y costos asociados con la sustitución de equipos con CFC, incluyendo el manejo ambientalmente adecuado de los CFC. Más adelante, en la Reunión XVIII de las Partes y en el Comité Ejecutivo 50 del Fondo Multilateral, realizados en Nueva Delhi en noviembre de 2006, se decidió aprobar la ejecución de un estudio que determinara las variables relacionadas con la recolección, manejo y disposición final de equipos que contengan CFC, incluyendo la institucionalidad relacionada, marco regulatorio, tecnología, instrumentos e insumos económicos, así como la recuperación, recolección, reciclaje y disposición final de las SAO resultantes de 14http://www.minambiente.gov.co/index.php/normativa
94
este proceso. El estudio se realizó durante los años 2007 y 2008, y arrojó algunas directrices y recomendaciones que ha apoyado a todos los países en sus estrategias de promoción de sustitución de equipos con CFC y la gestión de las SAO no deseadas.
De acuerdo con los reportes del TEAP (Montreal Protocol's Technology and Economics Assessment Panel) existían para el año 2002, un (1) millón de toneladas métricas de SAO que requerían recuperación y destrucción, pero teniendo en cuenta los HCFC, el IPCC/TEAP en el 2005 estimó que los bancos globales de estas sustancias eran de aproximadamente 2,651,000 TM, y las cantidades almacenadas estaban proyectadas para aumentar significativamente en los próximos años. Considerando que estas SAO almacenadas se encuentran ampliamente distribuidas en todo el mundo, el tema de recuperación, almacenamiento, reciclaje, regeneración y destrucción de SAO debe ser abordado por los diferentes países siguiendo las recomendaciones y lineamientos definidos por el Protocolo de Montreal.
Considerando el inventario actual de residuos de SAO que requieren disposición final, la principal justificación para que el país aborde el tema de la disposición ambientalmente segura de los residuos de las SAO, es el reconocimiento de la existencia de importantes bancos de estas sustancias instaladas en equipos de refrigeración y aire acondicionado que se encuentran en uso en todo el país, especialmente bancos de CFC, instalados en los equipos de refrigeración doméstica fabricados o importados antes de 1997.
Con el propósito de preparar al país para la gestión integral de los residuos de las sustancias agotadoras de la capa de ozono y de los equipos que las contienen, y en consonancia con las políticas nacionales de uso racional y eficiente de la energía, de gestión integral de residuos peligrosos y de gestión integral de residuos de aparatos eléctricos y electrónicos, el Ministerio de Ambiente y Desarrollo Sostenible, a través de la Unidad Técnica Ozono - UTO y en coordinación con el PNUD, diseñó el proyecto demostrativo piloto para la gestión integral de residuos de SAO, el cual fue aprobado por el Comité Ejecutivo del Fondo Multilateral del Protocolo de Montreal en abril de 2012. El documento del 95
proyecto PNUD/COL83728, denominado PRODOC, fue suscrito entre el PNUD y el Ministerio de Ambiente y Desarrollo Sostenible el 17 de agosto de 2012 y es en esta fecha cuando se inició la ejecución de las actividades planteadas.
En un país en desarrollo como Colombia, el desafío más grande que tiene esta Política, es desarrollar esquemas que, al mismo tiempo que resuelven los graves problemas que conllevan la generación y el manejo inadecuado de los residuos peligrosos, atiendan la necesidad que tiene el país de un desarrollo sostenible, incluyente y equitativo, que fomente la creación de fuentes de ingresos y de empleos, eleve la competitividad de los sectores y mejore el desempeño ambiental de todos los actores y sectores sociales que generan y manejan residuos peligrosos.
4.6 CONCLUSIONES Se alcanza la conversión de un sistema de aire acondicionado tipo Mini Split con tecnología inverter en uno didáctico; para el estudio de la termodinámica. Se aprovecharon las características estándar de fabricación del sistema de aire acondicionado para la instalación de un circuito termodinámico con modificaciones que altera sus condiciones de operación normal simulando una falla en tiempo real. Se evidencia que el consumo del compresor experimentalmente es menor que el nominal lo cual se atribuye a una baja carga de líquido refrigerante. Se comprueba la alta eficiencia y rendimiento de la tecnología inverter por medio de las pruebas realizadas.
4.7 RECOMENDACIONES
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El equipo didáctico es basado en un aire acondicionado tipo mini Split con tecnología inverter y como se demostró es de alta eficiencia, se abre la la opción para que con el banco didáctico se prueben alternativas con energías renovables.
Por la sensibilidad en la la sensorica y la instrumentación instrumentación y control se recomienda el mantenimiento del equipo cada 6 meses y realizar la calibración con el software con el cual se diseñó. El control se sugiere el cambio de los sensores en el momento de una falla.
4.8 GLOSARIO ACEITE PARA REFRIGERACIÓN: Aceite especialmente preparado, para usarse en el mecanismo de los sistemas de refrigeración. ACONDICIONADOR DE AIRE: Dispositivo utilizado para controlar la temperatura, humedad, limpieza y movimiento del aire en el espacio acondicionado, ya sea para confort humano o proceso industrial. ACUMULADOR: Tanque de almacenamiento, el cual recibe refrigerante líquido del evaporador, evitando que fluya hacia la línea de succión antes de evaporarse. AIRE ACONDICIONADO: Control de la temperatura, humedad, limpieza y movimiento de aire en un espacio confinado, según se requiera, para confort humano o proceso industrial. Control de temperatura significa calentar cuando el aire está frío, y enfriar cuando la temperatura temperatu ra es muy caliente. AISLAMIENTO (Térmico): Material que es pobre conductor de calor; por lo que, se usa para retardar o disminuir el flujo de calor. Algunos materiales aislantes son corcho, fibra de vidrio, plásticos espumados (poliuretano y poliestireno). ASPIRACIÓN: Movimiento producido en un fluido por succión. BAR: Unidad de presión absoluta. Un bar equivale a 100 kPa (0.9869 atmósferas). BARRERA DE VAPOR: Hoja delgada de plástico o aluminio, utilizada en estructuras de aire acondicionado, para evitar que penetre el vapor de agua al material aislante. En las cámaras de refrigeración, se acostumbra aplicar un 97
material impermeabilizante de algún tipo de pintura o barniz.
BERNOULLI TEOREMA: En una corriente de líquido, la suma de la carga de altura, la carga de presión y la velocidad, permanece constante a lo largo de cualquier línea de flujo, suponiendo que no se hace ningún trabajo por o sobre el líquido en el trayecto de su flujo; disminuye en proporción a la pérdida de energía en el flujo. BOMBA DE ALTO VACÍO: Mecanismo que puede crear un vacío en el rango de 1,000 a 1 micrón. BOMBA DE CALOR: Sistema del ciclo de compresión, utilizado para abastecer calor a un espacio de temperatura controlada. El mismo sistema, puede también remover calor del mismo espacio. BOMBA DE CONDENSADO: Dispositivo para remover el condensado de agua, que se acumula debajo de un evaporador. BOMBA DE VACÍO: Dispositivo especial de alta eficiencia, utilizado para crear alto vacío para fines de deshidratación o de pruebas. BULBO SENSOR DE TEMPERATURA: Bulbo que contiene un fluido volátil y fuelle o diafragma. El aumento de temperatura en el bulbo, causa que el fuelle o diafragma se expanda. B.T.U. (British Thermal Unit): Cantidad de calor que se requiere para elevar un grado fahrenheit, la temperatura de una libra de agua. CALOR: Forma de energía que actúa sobre las sustancias para elevar su temperatura; energía asociada con el movimiento al azar de las moléculas. CALOR DE COMPRESIÓN: Efecto de calefacción que se lleva a cabo cuando se comprime un gas. Energía mecánica de la presión, convertida a energía calorífica. CALOR DE FUSIÓN: Calor requerido por una sustancia, para cambiar del estado sólido al estado líquido, a una temperatura constante. Por ejemplo: hielo a agua a 0 o C. El calor de fusión del hielo es 335 kJ/kg. CALOR DE RESPIRACIÓN: Proceso mediante el cual, el oxígeno y los carbohidratos son asimilados por una sustancia; también cuando el bióxido de carbono y agua son cedidos por una sustancia. CALOR ESPECÍFICO: Relación de la cantidad de calor requerido, para aumentar o disminuir la temperatura de una sustancia en 1o C, comparado con la que se 98
requiere para aumentar o disminuir la temperatura de una masa igual de agua en 1oC. Se expresa como una fracción decimal.
CÁMARA DE REFRIGERACIÓN: Espacio refrigerado comercial, que se mantiene a temperaturas abajo de la ambiental. CARGA DE REFRIGERANTE: Cantidad de refrigerante colocada en un sistema de refrigeración. CARGA TÉRMICA: Cantidad de calor medida en watts, kcal o btu, la cual es removida durante un período de 24 horas. COMPRESIÓN: Término utilizado para denotar el proceso de incrementar la presión, sobre un volumen dado de gas, usando energía mecánica. Al hacer esto, se reduce el volumen y se incrementa la presión del gas. COMPRESOR: Máquina en sistemas de refrigeración, hecha para succionar vapor del lado de baja presión en el ciclo de refrigeración, y comprimirlo y descargarlo hacia el lado de alta presión del ciclo CONDENSADOR: Componente del mecanismo de refrigeración, el cual recibe del compresor vapor caliente a alta presión, enfriándolo y regresándolo luego a su estado líquido. El enfriamiento puede ser con aire o con agua. CONGELACIÓN: Cambio de estado de líquido a sólido. DETECTOR DE FUGAS: Dispositivo o instrumento que se utiliza para detectar fugas, tal como lámpara de haluro, sensor electrónico o jabón. DIAGRAMA DE MOLLIERE: Gráfica de las propiedades de un refrigerante, tales como: presión, temperatura, calor, etc. DIFERENCIAL: La diferencia de temperatura o presión, entre las temperaturas o presiones de arranque y paro, de un control. EFICIENCIA: Capacidad de un dispositivo, sistema o actividad, dividida entre la potencia absorbida necesaria para crear esa capacidad. En un compresor, la eficiencia sería la capacidad de trabajo, medida por un cambio de presión, dividida entre la energía eléctrica consumida. ENFRIADOR: Intercambiador de calor que remueve calor de las sustancias. ENFRIADOR DE AIRE: Mecanismo diseñado para bajar la temperatura del aire 99
que pasa a través de él.
FREÓN: Nombre comercial para una familia de refrigerantes químicos sintéticos, fabricados por E.I. DuPont de Nemours & Company Inc. FRÍO: La ausencia de calor. Temperatura considerablemente abajo de la normal. GAS: Fase o estado de vapor de una sustancia. Un gas es un vapor sobrecalentado, muy lejos de su temperatura de saturación. GAS INERTE: Gas que no cambia de estado ni químicamente, cuando está dentro de un sistema, aunque se exponga a otros gases. GAS INSTANTÁNEO (Flash Gas): Evaporación instantánea de refrigerante líquido en el evaporador, lo que enfría el refrigerante líquido remanente, a la temperatura de evaporación deseada. GAS LICUADO: Gas abajo de cierta temperatura y arriba de cierta presión, que se vuelve líquido. GAS NO CONDENSABLE: Gas que no se convierte en líquido a las temperaturas y presiones de operación. GOLPE DE LÍQUIDO: Condición que se presenta cuando en un sistema de expansión directa, el exceso de refrigerante líquido sale del evaporador y entra al compresor, dañándolo. HUMEDAD: Vapor de agua presente en el aire atmosférico. HUMEDAD ABSOLUTA: Cantidad de humedad (vapor de agua) en el aire, indicada en g/m³ de aire seco (granos/pie cúbico). HUMEDAD RELATIVA (hr): La cantidad de humedad en una muestra de aire, en comparación con la cantidad de humedad que el aire tendría, estando totalmente saturado y a la misma temperatura. INTERCAMBIADOR DE CALOR: Dispositivo utilizado para transferir calor de una superficie caliente a una superficie menos caliente. (Los evaporadores y condensadores son intercambiadores de calor). LIMPIADOR DE AIRE: Dispositivo utilizado para remover impurezas producidas en el aire.
100
MANÓMETRO: Instrumento para medir presiones de gases y vapores. Es un tubo de vidrio (o plástico) en forma de "U", con una cantidad de líquido (agua o mercurio) y los extremos abiertos. PASCAL (Pa): Unidad de presión absoluta en el sistema internacional (SI); es igual a la fuerza de un Newton ejercida sobre una superficie de un m²; Pa = N/m². Para algunos fines científicos o prácticos, el Pascal puede resultar una unidad muy pequeña, por lo que entonces se utiliza el kiloPascal (kPa) o el BAR. 1 kPa = 1,000 Pa y 1 BAR = 100 kPa PRESIÓN: Energía impactada sobre una unidad de área. Fuerza o empuje sobre una superficie. PRESIÓN DE OPERACIÓN: Presión real a la cual trabaja el sistema, bajo condiciones normales. Puede ser positiva o negativa (vacío). RECICLADO DE REFRIGERANTE: Limpiar el refrigerante para volverlo a usar, reduciendo su humedad, acidez y materia en suspensión. Generalmente, se aplica a procedimientos en el sitio de trabajo, o en talleres de servicio locales. REFRIGERANTE: Sustancia utilizada en los mecanismos de refrigeración. Este absorbe calor en el evaporador, cambiando de estado de líquido a vapor, liberando su calor en un condensador, al regresar de nuevo del estado gaseoso al estado líquido. REFRIGERACIÓN POR ABSORCIÓN: Proceso de crear bajas temperaturas, utilizando el efecto enfriador formado, cuando un refrigerante es absorbido por una sustancia química. SISTEMA DE REFRIGERANTE SECUNDARIO: Sistema de refrigeración, en el que el condensador es enfriado por el evaporador de otro sistema de refrigeración (primario). SISTEMA "SPLIT": Instalación de refrigeración o aire acondicionado, en el que se coloca la unidad de condensación fuera o lejos del evaporador. También se aplica a instalaciones de bomba de calor. TEMPERATURA: Intensidad de calor o frío, tal como se mide con un termómetro. TEMPERATURA ABSOLUTA: Temperatura medida desde el cero absoluto. TEMPERATURA AMBIENTE: Temperatura de un fluido (generalmente el aire), que rodea un objeto por todos lados. 101
UNIDAD DE CONDENSACIÓN: Parte de un mecanismo de refrigeración, la cual succiona vapor de refrigerante del evaporador, lo comprime, lo licúa en el condensador y lo regresa al control de refrigerante. VÁLVULA: Accesorio utilizado para controlar el paso de un fluido. VENTILADOR DEL CONDENSADOR: Dispositivo utilizado para mover aire a través del condensador enfriado por aire. VENTILADOR DEL EVAPORADOR: Ventilador que incrementa el flujo de aire, sobre la superficie de intercambio de calor de los evaporadores.
102
4.9 REFERENCIAS BIBLIOGRAFÍCAS Baumeister, T., Marks Manual del Ingeniero Mecánico, 2a edición, Ed. Mc GrawHill,1982. Carrio, M.L., Ventajas del uso de la Tecnología en el Aprendizaje Colaborativo, Revista Iberoamericana de la Educación, 2007. CARTA, José Antonio. Centrales de energías renovables, Madrid, Pearson Prentice hall, 2009. Cottell, L., Aire Acondicionadoy Refrigeración para Regiones Tropicales, 1ª edición, Ed. Limusa, 2000. Dossat, J., Principios de Refrigeración, 2a edición, Ed. Continental, 1980. Eduardo Herna Herna ́ ndez Goribar Editorial: Me ́ xico : Editorial Limusa, ©1973 Hernández, G.E., Fundamentos de Aire Acondicionado y Refrigeración, 1a edición, Editorial Limusa, 1973. Jennings, B., Aire Acondicionado y Refrigeración, 4a edición, Ed. Continental, 1970. Gilver Copeland, S.A de C.V., Manual de Refrigeración, 1983.78 Pita, E., Acondicionamiento de Aire Principios y Sistemas, 2a edición, Ed. Continental, Prentice-Hall, Stoecker, W.F., Refrigeración y Acondicionamiento de Aire, 1a edición en español,Ed. Mc Graw-Hill, 1970. Wark, K., Termodinámica, 4a edición, 2006. Reynolds, W., Perkins,H., Ingeniería Termodinámica, 2a edición, Ed. Mc GrawHill,1980. Ed. Mc Graw-Hill, 1984. RODRIGUEZ, Humberto. Conceptos fundamentales sobre energía
9.1 CIBERGRAFIA 103
De Lorenzo. ( 2010). Equipos didacticos de laboratorio.Recuperado el 14 de 11 de 2011, de http://www.delorenzo.com.mx Gunt Hamburg. (2005). equipment for enginnering education. Recuperado el 14 de 02 de 2013, de http://www.gunt.de/static/s1_1.php corporation, H. E. (1999). equipo de entrenamiento. e ntrenamiento. Retrieved 02 13, 2012, from http://www.hampden.com Ltd, P. H. (2011). Engineering Laboratory. 2012, from http//www.p-a-hilton.co.uk https://www.caloryfrio.com/aire-acondicionado/aire-acondicionado-domestico/aireacondicionado-inverter.html
104
ANEXOS
105
