Sistemas de Aire Acondionado y Climatizacion - Monografia

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AÑO DE LA DIVERSIFICACION PRODUCTIVA Y DEL FORTALECIMIENTO DE LA EDUCACION

TITULO: SISTEMAS DE ACONDICIONAMIETO DE AIRE Y CLIMATIZACION

INTEGRANTES: VILLANUEVA LAGUNA MISSAEL ISAAC FERNANDEZ NEYRA ROY ELVIS CAPRISTANO MORENO RONALD PABLO

FACULTAD: INGENIERIA

ESCUELA: MECANICA ELECTRICA

AÑO: 2015

DEDICATORIA Sistemas de 1

Acondicionamiento de Aire y Climatización

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A todos aquellos jóvenes y personas en general que están dispuestos a agrandar sus ideas, con una finalidad de tener un rango más amplio en este tema acerca del Aire acondicionado y Climatización, y poder así facilitar o ayudarles mediante este trabajo a aclarar cualquier duda en especial acerca del tema, y más aún una finalidad muy grande la cual es sembrar el conocimiento en ellos para así tener una juventud dispuesta a superarse gracias a estos contenidos y cada día sean más las personas y tener así una gran generación de bien.

AGRADECIMIENTO Sistemas de 1


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En primer lugar agradecer a Dios que nos concede el día a día y elaborar nuestra investigación la cual lo estamos dejando este trabajo en manos de los jóvenes y personas en general, segundo agradecer a nuestro profesor por dejar en nosotros esta investigación con el fin de explorar más aun nuestros temas dentro de nuestra carrera y por ultimo agradecer a nuestros padres que nos ceden el permiso para la reunión con nuestros compañeros y el apoyo que nos brindan al motivarnos a seguir con nuestra carrera y también en lo económico para finalizar con nuestros trabajos; en conclusión nuestro agradecimiento va dirigido a todas aquellas personas que nos brindaron sus conocimiento y apoyo para la elaboración de nuestro trabajo.

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INDICE DEDICATORIA……………………………………………………………………… 2 AGRADECIMIENTO…………………………………………………………………3 INTRODUCCION…………………………………………………………………….6 I. GENERALIDADES DEL AIRE ACONDICIONADO Y CLIMATIZACION.…...7 I.1 HISTORIA DEL AIRE ACONDICIONADO…………………………………...7 I.2 DEFINICION……………………………………………………………………..7 I.3 TIPOS DE EQUIPOS…………………………………………………………...8 I.3.1 COMPONENTES DEL EQUIPO DE ACONDICIONAMIENTO……...11 I.4 ACONDICIONAMIENTOS DE ESTACIONES……………………………….14 I.5 VARIABLES QUE CONTROLA……………………………………………….15 I.6 INSTALACIONES DE AIRE ACONDICIONADO……………………………16 I.6.1 TIPOS DE INSTALACIONES: TODO AIRE…………………………….16 I.6.2 TIPOS DE INSTALACIONES: AIRE-AGUA…………………………….20 I.6.3 TIPOS DE INSTALACIONES: FLUIDO REFRIGERANTE……………21 I.6.4 TIPOS DE INSTALACIONES: EQUIPOS COMPACTOS……………..22 I.7 CRITERIOS PARA DISEÑAR SISTEMAS DE AIRE ACONDICIONADO...24 I.7.1 CONSIDERACIONES Y METODOS DE LA PLANEACION…………..24 I.7.2 ASPECTOS A TOMAR EN CUENTA…………………………………….24 I.7.3 CONSIDERACIONES INICIALES DE DISEÑO…………………………25 I.7.4 METODOS DE CALCULOS…………………………………………….....26 Sistemas de 1


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I.7.5 APLICACIÓN DEL LOCAL…………………………………………………27 I.7.6 CALIDAD DEL AIRE INTERIOR…………………………………………...27 I.7.7 CONFORT TERMICO……………………………………………………….27 II. TEMAS Y OBJECIONES GENERALES A TOMAR EN CUENTA……………..28 II.1 EFICIENCIA ENERGETICA Y CLIMATIZACION……………………………28 II.2 EVALUACION ENERGETICA……………………………………………...….29 II.3 SELECCCION DE SISTEMA DE CLIMATIZACION…………………………30 II.4 REQUERIMIENTOS MINIMOS………………………………………………..31 II.5 SEGURIDAD Y ADVERTENCIAS GENERALES……………………………33 III. EJERCICIOS APLICATIVOS RESPECTO DEL TEMA………………………..38 CONCLUSIONES…………………………………………………………………...….53 REFERENCIAS BIBLIOGRAFICAS…………………………………………………..54 ANEXOS…………………………………………………………………………………55

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INTRODUCCION

Como sabemos hoy en día gracias a la ciencia podemos tener muchas comodidades de las cuales el tema a tratar es sobre el Aire Acondicionado y Climatización. Sabemos que el clima en cualquier parte del mundo es diferente y tiene cambios drásticos, existen sitios secos y húmedos, sitios fríos y calientes y una gran combinación de estos estados; y más aún se suma la variación según las épocas del año: Primavera, verano, otoño e invierno; y según algunos fenómenos (caso Corriente del Niño) debido a la rotación de la Tierra y su translación alrededor del Sol. Estos cambios del clima conforme el tiempo hacen que también varíen los estados de las personas, pero gracias a los avances tecnológicos ya no es tanto un problema, porque contamos con máquinas térmicas y máquinas de aire acondicionado, siendo el ser humano el único de los seres vivientes que pudo cambiar el clima diseñando y construyendo máquinas que “acondicionan el aire”. Han llegado a ser una necesidad para la vida moderna, como es el caso de viviendas, oficinas, establecimientos comerciales o industriales, laboratorios, hospitales, restaurantes, etc. La misión del aire acondicionado es la realización de determinadas funciones destinadas a proporcionar durante todo el año, el confort térmico y la calidad de aire interior para la vida de las personas o el mejoramiento

de

los

diferentes procesos industriales. Aprenderemos a

seleccionar máquinas que puedan calentar y enfriar, secar y humedecer cualquier ambiente según lo creamos conveniente; es decir podemos cambiar cualquier lugar del mundo hacia unos estados (que lo llamamos Confort) donde vivamos tranquilos en un ambiente sano y cómodo. Con este proyecto se pretende dar a conocer los sistemas que componen estas instalaciones, con el fin de que constituya un curso de consulta por parte de profesionales, técnicos o estudiantes de esta especialidad. Sistemas de 1


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I. GENERALIDADES DEL AIRE ACONDICIONADO Y CLIMATIZACION I.1. HISTORIA DEL AIRE ACONDICIONADO Uno de los grandes sistemas para suprimir el calor fue el de los egipcios, donde utilizaban principalmente en el palacio del faraón, cuyas paredes estaban formadas por enormes bloques de piedra con un peso superior a mil toneladas. Se supone que el faraón disfrutaba de temperaturas alrededor de 26° Celsius. En 1842, Lord Kelvin invento el principio del aire acondicionado, creo un circuito frigorífico hermético basado en la absorción del calor a través de un gas refrigerante. En 1902, Willis Haviland desarrollo el concepto de climatización de verano, diseñando una máquina que controlaba la temperatura y la humedad por medio de tubos enfriados, dando lugar a la primera unidad de aire acondicionado de la historia. En 1921 el mismo patento la máquina de refrigeración centrifuga, para acondicionar el aire en grandes espacios. En 1928 desarrollo el primer equipo que enfriaba, calentaba, limpiaba y hacia circular el aire para casas y departamentos. En 1958 se constituye la ASHRAE, en 1982 el senado de E.U. aprueba el protocolo de Montreal de las naciones unidas para las sustancias que generan daño a la capa de ozono. En 2004 se tiene el 1er. prototipo de A/A residencial operado por celdas hibridas. I. 2. DEFINICION AIRE ACONDICIONADO: es el proceso más completo de tratamiento del aire ambiente de los locales habitados, consiste en regular las condiciones en cuanto a la temperatura (calefacción o refrigeración), humedad, limpieza (renovación, Sistemas de 1


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filtrado) y el movimiento del aire dentro de los locales. Entre los sistemas de acondicionamiento se cuentan los autónomos y los centralizados. Los primeros producen el calor o el frío y tratan el aire (aunque a menudo no del todo). Los segundos tienen unos acondicionadores que solamente tratan el aire y obtienen la energía térmica (calor o frío) de un sistema centralizado. CLIMATIZACION: consiste en crear unas condiciones de temperatura, humedad y limpieza del aire adecuadas para la comodidad dentro de los espacios habitados. La normativa española define climatización como: dar a un espacio cerrado las condiciones de temperatura, humedad relativa, calidad del aire y, a veces, también de presión, necesarias para el bienestar de las personas y la conservación de las cosas, Así pues, la climatización comprende tres cuestiones fundamentales: la ventilación, la calefacción, o climatización de invierno, y la refrigeración o climatización de verano. I. 3. TIPOS DE EQUIPOS Existen equipos acondicionadores condensados por aire y condensados por agua. En esta descripción se incluyen únicamente los condensados por aire, dada su fácil aplicación al caso de viviendas y pequeños locales. Asimismo, los equipos pueden ser compactos y partidos. Los primeros constan de una sola unidad, mientras que los partidos están formados por dos o más unidades. En cuanto al servicio que prestan, los equipos se denominan unitarios, si se trata de equipos independientes en cada habitación, o individuales, cuando un solo equipo atiende al conjunto de la vivienda o local. Tipo Consola o de Pared Es un equipo unitario, compacto y de descarga directa. Normalmente se coloca uno por habitación o, si el local es de gran superficie, se colocan varios según las necesidades.

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Acondicionador Portátil Es un equipo unitario, compacto o partido, de descarga directa y transportable de una habitación a otra. Resuelve de forma adecuada las necesidades mínimas de acondicionamiento en habitaciones de viviendas y en pequeños locales.

Equipos Partidos (split o multi-split) Son equipos unitarios de descarga directa. Se diferencian de los compactos en que la unidad formada por el compresor y el condensador va al exterior, mientras

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que la unidad evaporadora se instala en el interior. Ambas unidades se conectan mediante las líneas de refrigerante.

Equipo partido con unidades múltiples de tipo mural Equipo Compacto Individual Es un equipo de descarga indirecta, mediante red de conductos y emisión de aire a través de rejillas en pared o difusores en techo. El equipo necesita una toma de aire exterior. Se puede colocar en un falso techo o en un armario, existiendo modelos horizontales y verticales.

Equipo Partido Individual

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Es también un equipo de descarga indirecta, mediante red de conductos y emisión de aire a través de rejillas en pared o difusores en techo. Para asegurar una correcta ventilación de las dependencias acondicionadas, la unidad interior precisa una toma de aire exterior.

I. 3. 1. COMPONENTES DEL EQUIPO DE ACONDICIONAMIENTO Generalmente, los acondicionadores de aire funcionan según un ciclo frigorífico similar al de los frigoríficos y congeladores domésticos. Al igual que estos electrodomésticos, los equipos de acondicionamiento poseen cuatro componentes principales: Evaporador Compresor Condensador Válvula de expansión Sistemas de 1


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Evaporador: es cualquier superficie de transferencia de calor en el cual se vaporiza un líquido volátil para eliminar calor de un espacio o producto refrigerado, se construyen por lo general de tubo de acero o de cobre. Condensador: es una superficie de transferencia de calor, el calor del vapor refrigerante pasa a través de las paredes del condensador para condensación. Son de 3 tipos generalmente: enfriados con aire, enfriados con agua y evaporadores que emplean tanto como aire y agua. Compresor: pueden ser recíprocos, rotatorios y centrífugos. La función del compresor es comprimir el refrigerante elevando su presión, temperatura y entalpia, además crea y mantiene la alta presión en el condensador que permite la nueva utilización del refrigerante en estado líquido. Dispositivo de expansión: se encarga de pulverizar o expandir el refrigerante, regula la cantidad de líquido que entra en el evaporador para que según la cantidad de vapores aspirados por el compresor pueda mantenerse constante la presión del evaporador.

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A continuación se presenta un equipo acondicionador con los componentes básicos integrados.

Equipo acondicionador

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I. 4. ACONDICIONAMIENTOS DE ESTACIONES Acondicionamiento de Aire en Verano En la figura se muestra un acondicionador de ventana tradicional, funcionando en condiciones típicas de verano. En otras palabras, el enfriamiento del aire del local se hace a costa del calentamiento del aire exterior. Dicho de otro modo, el calor que se extrae del local, que equivale al frío producido, se transfiere al ambiente exterior.

Acondicionamiento de Aire en Invierno Los acondicionadores de aire pueden impulsar aire caliente y trasladarlo al local, produciendo el calor mediante baterías de resistencias eléctricas o bien mediante el propio ciclo frigorífico. Este último método es el más aconsejable por su alto rendimiento y es el que se utiliza en los equipos que se denominan bomba de calor.

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I. 5. VARIABLES QUE CONTROLA TEMPERATURA Refrigeración: Proceso de tratamiento de aire que controla la temperatura máxima de un local y eventualmente el contenido máximo de vapor de agua del aire. Calefacción: Proceso de tratamiento de aire que controla la temperatura mínima de un local y eventualmente el contenido de vapor de agua del aire.

HUMEDAD El control de la humedad absoluta (HA) implica el tratamiento de humectación o deshumectación del aire antes de ser impulsado al interior, este proceso controlado se realiza solo si el programa lo requiere como condición ineludible. Generalmente se produce una disminución de la Humedad Relativa (HR) del aire del ambiente a acondicionar a

través de la condensación que ocurre en la

superficie de los intercambiadores.

MOVIMIENTO DEL AIRE Sistemas de 1


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El control sobre los aspectos del movimiento del aire depende básicamente del diseño y correcto de la inyección y el retorno del aire. Los elementos terminales compuestos por difusores, rejas de inyección de aire y rejas de retorno deben ser cuidadosamente seleccionados, dimensionados y distribuidos en el espacio a acondicionar considerando los siguientes aspectos: caudal de aire, velocidades de salida o entrada, dirección, alcances, temperaturas de inyección, etc.

CALIDAD DEL AIRE Pureza del aire mediante filtrado y desbacterizado (si el caso lo requiere) Oxigenación del aire mediante la renovación. TEMPERATURAS SUPERFICIALES El Aire Acondicionado controla las condiciones del aire pero no influye DIRECTAMENTE en las temperaturas superficiales de los cerramientos, por lo que no controla las asimetrías térmicas por ser el aire diatérmano (transparente a las radiaciones de onda corta y larga) y de baja capacidad térmica.

I. 6 INSTALACIONES DE AIRE ACONDICIONADO Existen multitud de tipos de instalaciones, cada una de ellas tiene unas características propias; el control sobre los parámetros (T, HR, pureza del aire,…) no todas lo efectúan. Se clasifican en cuatro grandes grupos por los fluidos que transportan la energía (calor y/o frío) a los locales – Instalaciones todo aire – Instalaciones agua-aire – Instalaciones todo agua – Instalaciones con fluido refrigerante Sistemas de 1


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Es posible que coexistan varios sistemas, por ejemplo una eliminando la carga térmica perimetral, y otra la del “interior” del local I.6.1 Tipos de Instalaciones: Todo Aire I Ventajas Servicios están fuera de zonas ocupadas Facilita IAQ, zonificación, recuperación de energía Inconvenientes Necesita falsos techos amplios Requiere coordinar Ingenieros y Arquitectos Existen varios subtipos: • Con recalentamiento • Doble conducto • Caudal variable • Una Zona • Múltiples Zonas • Doble conducto • Conducto Dual

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Todo Aire (II) Una Zona; control de Tª de impulsión con termostato actuando sobre: La enfriadora y/o la caldera, parando y deteniendo el fluido. Sobre la batería de postcalentamiento; control independiente T y humedad pero costes de instalación y operación elevados.

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Todo Aire (III) Con caudal constante y temperatura variable. El aire es tratado centralmente en función del local con mayor demanda térmica, y posteriormente es terminado de acondicionar en una batería instalada en cada zona; tiene altos costes de instalación y de operación.

Todo Aire (IV)

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Con caudal constante y temperatura variable; si el control de la Tª del aire de impulsión se hace en función del local con menor carga térmica se mejora energéticamente.

Todo Aire (V) Con temperatura constante y caudal variable. El aire es tratado centralmente, y en cada zona se regula el caudal introducido en función de las necesidades; problema la interacción de caudales.

Todo aire VI Sistemas de 1


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Zonas Multizona y Doble Conducto, Conductos de frío y calor; muy caro en instalación y funcionamiento.

I.6.2 Tipos de Instalaciones: Aire-Agua (I) Una instalación central de aire controla la calidad del aire. Una enfriadora elimina la carga térmica del local (conductos de aire son menores) (no siempre tienen aire de retorno). A) Instalaciones de inducción: El aire tratado centralmente (primario) induce a que parte del aire del local (secundario) pase por una batería alimentada con agua caliente o fría.

Aire-Agua (II) Sistemas de 1


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b) Fancoils con aire primario: Una o dos baterías con un ventilador y con apertura en la pared para toma de aire exterior; le pueden llegar 2, 3 o 4 tubos (requieren válvulas muy estancas para evitar mezcla del agua) c) Instalaciones de paneles radiantes y aire primario Son instalaciones: con aire primario de renovación y paneles radiantes alimentados con agua para la carga térmica. Con sonda de Tª anti rocío

I.6.3 Tipos de Instalaciones: con Fluido Refrigerante Condicionamiento individualizado en cada local; bajo coste inicial, y fácil instalación, sobre todo cuando el edificio está ya construido; pero su coste de operación y su mantenimiento son costosos. No aportan aire de renovación, y gran impacto estético exterior a) Acondicionadores de ventana: Condensador en el exterior y evaporador en el interior b) Split o partidos – Unidad interior o evaporadora (v. expansión o capilar, bandeja de condensados). Adicionalmente una resistencia eléctrica y “filtros” – Unidad exterior o condensadora, (compresor); si el equipo es bomba de calor incluye la válvula de 4 vías y la botella antigolpe de líquido c) Portátiles: Conexiones flexibles o toma de aire exterior d) Máquinas de hielos: Depósito para cubitos y un ventilador Sistemas de 1


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e) Equipos deshumidificadores: Un ventilador forzando el paso de aire por un evaporador y un condensador en serie

I.6.4 Tipos de Instalaciones: Equipos Compactos En una unidad incluyen todo el equipo frigorífico. Internamente están divididos en dos partes independientes y aisladas térmicamente. Pueden estar diseñados para instalarse directamente en el local o para conectarse a conductos. Se pueden destacar dos tipos: – Que el condensador esté refrigerado por agua; suele llevar incorporada una válvula presostática de agua. – Que el condensador esté refrigerado por aire, necesita de una conducción del aire para el condensador desde y hacia el exterior.

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I.7 CRITERIOS PARA DISEÑAR SISTEMAS DE AIRE ACONDICIONADO I.7.1 Consideraciones y Métodos de la Planeación Actualmente en la planificación y diseño de una instalación de acondicionamiento de aire, los desarrolladores, ingenieros y técnicos se preocupan por la comodidad de los habitantes de un edificio, pero como puntos de igual importancia, también se enfocan en la calidad del aire que es suministrado al interior, a los fines de velar por la salud de los ocupantes. I.7.2 Aspectos a tomar en cuenta La técnica del aire acondicionado es considerada como una ciencia y un arte, ya que en la misma se ponen en juego elementos de un nivel técnico avanzado que se combina con la capacidad y el ingenio del técnico o ingeniero que diseñará el sistema. 1.

Replanteo general de los locales a acondicionar, confeccionar un plano de

arquitectura en el caso de que no exista, donde se pueda interpretar todas las superficies expuestas con el exterior y/o ambiente no acondicionado. 2.

Computar

las

superficies

expuestas

al

exterior

y/o

ambiente

no

acondicionado. 3.

Realizar un balance térmico general de todas las áreas (local por local) y

otro con la sumatoria del edificio a acondicionar; teniendo en cuenta los horarios de ocupación de los locales. 4.

Analizar las cargas y las zonas de cargas parciales similares que

evolucionen en idéntica manera durante el día. 5.

Establecer el tipo de sistema a utilizar dependiendo del que brinde mejor

versatilidad, inversión, mantenimiento, consumo de energía, etc.

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6.

Seleccionar el equipamiento a utilizar (a- unidades individuales splits o de

ventana; b- Unidades centrales de zona o generales por conductos o descarga a boca libre y tipo de condensación; c- sistema por agua tratada, donde se seleccionan unidades fan y coil de zonas y terminales, máquina enfriadora de líquidos y caldera). 7.

En el caso de utilizar unidades fan y coil, establecer el punto de ADP de

cada unidad en el diagrama psicrométrico para calcular número de hileras, caudal de aire y caudal de agua. 8.

Instalar los equipos seleccionados en los lugares más apropiados.

9.

Diseñar y proyectar los sistemas complementarios (redes de conductos, de

distribución de agua, de energía eléctrica, etc.). 10.

Instalar el sistema completo.

11.

La puesta en marcha del equipo.

12.

Revisar y certificar todo lo que se ha hecho.

I.7.3 Consideraciones iniciales de diseño Generalmente, los siguientes pasos deben ser seguidos: Características de la Edificación: El Ingeniero o técnico debe obtener las particularidades y todos los rasgos del edificio como: materiales de construcción, tamaño de los componentes, colores externos de fuentes y formas, que son normalmente determinados a partir de los planos de la edificación y especificaciones. Configuración: Se debe determinar la ubicación, orientación y sombra externa de la edificación a partir de los planos y especificaciones. La sombra de edificaciones adyacentes pueden ser determinadas por un plano del sitio o visitando el sitio propuesto

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Condiciones Exteriores de Diseño: Hay que precisar la información climática apropiada y seleccionar el contexto de diseño exterior. La condición climática puede ser obtenida de estudios o estadísticas de alguna estación meteorológica.

Condiciones de Diseño Interior: Se deben determinar los parámetros de diseño interior tales como temperatura de bulbo seco interior, temperatura interior de bulbo húmedo y tasa de ventilación; incluyendo variaciones permisibles y límites de control. Rutina de Operación: El diseñador también se basará en la rutina de iluminación, ocupantes, equipo interno, aplicaciones y procesos que contribuyan a incrementar la carga térmica interna. Determinando la probabilidad de que el equipo de refrigeración sea operado continuamente o apagado durante períodos de no ocupación. Fecha y Tiempo: Se selecciona el tiempo del día y el mes para realizar los cálculos de la carga de enfriamiento. Frecuentemente varias horas del día y varios meses son requeridos. Consideraciones Adicionales: El diseño y el tamaño de los sistemas de aire acondicionado central requieren más que el cálculo de la carga de enfriamiento en el espacio a ser acondicionado. El tipo de sistema de acondicionamiento de aire, energía de ventilación, ubicación del ventilador, pérdida de calor de los ductos y ganancia, filtración de los ductos, etc. I.7.4 Métodos de cálculos Función de Transferencia (TFM): Este método se fundamenta en la estimación de las cargas de enfriamiento hora por hora, prediciendo las condiciones del espacio para varios sistemas y estableciendo programas de control y programas de operación.

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Cálculo de Cargas por Temperatura Diferencial y Factores de Carga de Enfriamiento (CLTD/CLF) Debe ser aplicado al considerarse como la primera alternativa de procedimiento de cálculo manual. El mismo es simplificado, ya que usa un factor “U” para calcular la carga

de

enfriamiento

para

techos

y

paredes,

presentando

resultados

equivalentes.

Valores de Temperatura Diferencial Total Equivalente y Tiempo Promedio (TETD/TA): Para calcular la carga de enfriamiento de un espacio usando la convención de Valores de Temperatura Diferencial Total Equivalente y Tiempo Promedio, aplican los mismos procedimientos generales empleados para la Función de Transferencia. I.7.5 Aplicación del local El óptimo diseño de un sistema de aire acondicionado para una edificación, también toma en cuenta las actividades que ejercerán los ocupantes dentro de un local determinado, así como el ambiente exterior, ya que el desarrollador tendrá que poner atención a estos aspectos, para que su instalación sea la más apropiada. Es muy clara la diferencia entre un edificio, una oficina y un almacén de una fábrica, por lo que atendiendo a las acciones ejecutadas en un área específica, se determinarán aspectos del aire acondicionado como tamaño del compresor, ductería, filtros, sistemas de control, entre otros. I.7.6 Calidad del aire interior La Indoor Air Quality (IAQ) o Calidad del Aire Interior es una función que depende de muchos parámetros incluyendo la calidad del aire exterior, el diseño de los espacios interiores, el diseño de los sistemas de ventilación, la manera en la que maneja el sistema, cómo se mantiene, etc. Con el objetivo de generar mayores

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niveles de confort que en tiempos pasados, en las nuevas construcciones se usan materiales como alfombras, pegamentos, asbestos, pinturas, etc. I.7.7 Confort térmico En las últimas investigaciones se ha definido la unidad de medida del calor metabólico disipado que el MET (metabolic energy termal) que equivale a 50 kcal/hm2 siendo variable para cada grado de actividad.

II. TEMAS Y OBJECIONES GENERALES A TOMAR EN CUENTA II.1 EFICIENCIA ENERGETICA Y CLIMATIZACION Se debe combinar climatización y confort con eficiencia energética. Todo sistema de climatización consume energía, ya sea ésta del tipo no renovable (la mayoría de los casos) o renovable. Cuanta más energía necesitemos para alcanzar y mantener las condiciones de confort en un edificio, menos eficiente será su sistema de climatización en términos energéticos y mayor será su impacto ambiental. Para lograr la máxima eficiencia energética se debe tener en cuenta una serie de condiciones indispensables para conseguir en cuenta una serie de condiciones indispensables para conseguir el menor impacto ambiental de la instalación, tales como: •Diseño del edificio considerado en su orientación, materiales empleados en su construcción • Aislamiento e inercia térmica del edificio • Infiltraciones y ventilación • Usos y costumbres de los usuarios Sistemas de 1


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•Disponibilidad de sistemas de regulación y control • Disponibilidad de sistemas de regulación y control Los inmuebles se construyen como barreras a la lluvia, al viento y a veces filtros sutiles a luz y el calor Muchos de ellos se proyectan veces filtros sutiles a luz y el calor. Muchos de ellos se proyectan ignorando las condiciones del clima y luego su climatización se resuelve con consumo energético.

II.2 EVALUACION ENERGETICA Hoy podemos predecir la demanda y el consumo energético de la climatización (también de la iluminación, los materiales, etc.) mediante un modelo generado por software específicos, como elg p p, Mc4; Calener; Energy Plus, etc). Una vez generado un edificio virtual mediante estos programas ( y en forma paralela al proceso del proyecto) sabemos cuanta energía necesitará para funcionar. Integrando al modelo los datos de la orientación, parámetros de confort, tipo de envolvente, el destino, sistema de climatización, etc. podemos optimizarlo tantas Sistemas de 1


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veces sea necesario, hasta encontrar las alternativas energéticamente más eficientes que encontrar las alternativas energéticamente más eficientes, que aportarán ahorros económicos muy significativos, así como medioambientales.

La elección de un sistema de climatización de eficiencia energética deberá cumplir con: • Baja consumo de energía • Bajo impacto ambiental • Bajo costo de inversión II.3 SELECCCION DE SISTEMA DE CLIMATIZACION Una vez determinadas las potencias para el sistema, en base al modelo térmico o estudios de cargas térmicas, elegiremos en segundo término, el equipamiento requerido: 1) Espacios disponibles. *Para unidades exteriores *Para unidades interiores 2) Uso del mueble. 3) Uso horario del inmueble. Sistemas de 1


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4) Ubicación geográfica. 5) Acceso para izamiento o desplazamiento de las unidades. 6) Factibilidad estructural para el emplazamiento de las unidades. Una vez determinados los requerimientos de climatización para el inmueble, seleccionaremos la unidad de ahorro energético a utilizar. Tal como indicamos anteriormente existen varios sistemas (AIRE‐AIRE; AIRE‐AGUA; AGUA‐AIRE; AGUA‐AGUA). En sistemas Aire‐Agua y Agua‐Agua), tenemos unidades Chiller, con recuperación de calor parcial y total. Este segmento se cuenta con p y unidades polivalentes de energía. Esto quiere decir que una unidad es capaz de entregar frío y calor simultaneo al inmueble. Este sistema es muy eficiente para edificios que tienen exposiciones solares durante todo el día y requieren de temperaturas distintas, es decir cuando el oriente y q p, requiere frío una mañana de primavera el poniente pida calor. Lo importante de esta operación es que el calor producido es GRATIS, por ocupa el rechazo de calor del lado frío.

Para que un sistema de climatización sea eficiente energéticamente se requerirá que el edificio cumpla con algunos: II.4 REQUERIMIENTOS MINIMOS Orientación del edificio

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El rechazo o la captación de energía por parte de las diferentes fachadas del edificio lo largo de las estaciones del año junto con la resolución constructiva del mismo (muros, cristales, aislamiento e inercia térmica, etc.) Consideraciones sobre la envolvente La piel del edificio es una interfaz energética. Puede captar o rechazar la energía solar, conservar o disipar la energía del sistema de climatización artificial, ayudar o perjudicar a una correcta ventilación natural, factores todos que repercutirán sensiblemente en las necesidades energéticas de climatización y por tanto, en la eficiencia energética del edificio.

Aislamiento térmico Un buen aislamiento es el primer mecanismo térmico que preserva condiciones de confort regulando el intercambio energético entre el ambiente interior y el exterior, disminuyendo las transferencias térmicas por transmisión de la envolvente (muros y cubiertas) y la eliminación de puentes térmicos combinada con el doble acristalamiento con cámara de aire (considerando un (25% de la superficie de fachadas)

se puede ahorrar hasta un 27% en consumo de calefacción (11% por

aumento del aislamiento y 16% por doble acristalamiento). Inercia térmica Segundo mecanismo térmico que se encuentra presente en los sistemas constructivos habituales, la inercia térmica que suele ser ignorada por completo. La inercia térmica es la capacidad que tienen las grandes masas de materiales de alta densidad (estructura de hormigón, muros de ladrillos, etc.) para conservar le energía térmica que les llega y liberarla en tiempo diferido, colaborando a Sistemas de 1


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disminuir las demandas de tiempo diferido, colaborando a disminuir las demandas de calefacción y de refrigeración. Control solar La búsqueda en la arquitectura de la transparencia y la ligereza a menudo olvida que lo primero que hay que hacer con la radiación solar excesiva, en vez de contrarrestarla con refrigeración, es evitarla. Nuestra radiación solar es elevada, en gran parte del año

y en varios puntos del país, por lo que la sombra es

imprescindible. A veces lo olvidamos y no tenemos en cuenta el ejemplo de la arquitectura tradicional tenemos en cuenta el ejemplo de la arquitectura tradicional que contaba con gran cantidad de filtros que permitían reducir o tamizar gran parte de la radiación.

Ventilación Se puede ayudar a eliminar el calor. Tradicionalmente hemos utilizado la ventilación para aumentar la velocidad del movimiento del aire y la disipación del calor del cuerpo, pero actualmente contamos con nuevas aplicaciones que permiten bajar sustancialmente la temperatura interior de verano a través de: Inyección natural o forzada de aire de la fachada fría (ventilación Inyección natural o forzada de aire de la fachada fría (ventilación cruzada direccional) o enfriado naturalmente (por evaporación de agua, túnel bajo tierra (pozo canadiense), etc. II.5 SEGURIDAD Y ADVERTENCIAS GENERALES

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III. EJERCICIOS APLICATIVOS RESPECTO DEL TEMA Problema 1 El sistema de aire acondicionado de un carro usa R-134a como refrigerante, y la potencia del compresor es de 1,5 KW para llevar el R134a de 200KPa a 1200 KPa. El evaporador del ciclo de refrigeración, enfría aire del exterior del carro a 30 C, hasta 10 C. Asuma que el ciclo de refrigeración funciona como un ciclo de refrigeración ideal por compresión de vapor. ¿Cuál es el flujo másico de R-134ª que circula por el ciclo de refrigeración, y cuál es la temperatura TL de operación del evaporador? ¿Cuál es el flujo másico de aire a 10oC?

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Solución: La figura siguiente muestra cómo funciona in ciclo ideal de refrigeración por compresión de vapor. Nótese que debe tener en cuenta que la numeración de corrientes es distinta. En el ciclo ideal de refrigeración, vapor saturado entra al compresor para ser sometido a una compresión adiabática y reversible, es decir isoentrópica. En nuestro caso la presión de entrada al compresor es 200 KPa. Busquemos estos datos en la tabla de R134a saturado

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Como el funcionamiento es ideal, la entropía S4=S3 a la presión de 1200 KPa. Acudimos a las tablas de vapor saturado y notamos que a 1200 KPa, Svs=0.91303 KJ/Kg/K, por lo que el punto 4 debe estar constituido por un vapor sobrecalentado. Vamos a las tablas:

Como notamos en la figura 11.33 la presión del evaporador debe ser 200 KPa, y la temperatura de operación debería ser la de -10.09 C. Para hallar el flujo másico de aire circulando por el evaporador, hacemos un balance de masa considerando que no hay pérdidas de calor, todo el calor que pierde el aire, lo gana el R134a para evaporarse. Sistemas de 1


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Como notamos nos hace falta conocer la entalpía del punto 2 por lo que debemos hacer balance en la válvula y en el condensador. Como trabajamos con un ciclo ideal de refrigeración por compresión de vapor, del condensador debe salir líquido saturado a la presión de 1200KPa. Buscamos estos datos en la tabla de vapor saturado:

La entalpía de la corriente 1 debe ser igual a la de la corriente 2 debido a que la válvula de expansión es isoentálpica. De tal forma que:

Se enfrían 0.573 Kg/s de aire.

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Problema 2 a) (2,5 puntos) Para aproximar el funcionamiento de un motor de ignición por chispa, considere un ciclo Otto estándar de aire al que se añaden 1800 KJ/Kg de aire, con una razón de compresión volumétrica de 7. La presión y temperatura al inicio del ciclo de compresión es de 90 KPa y 10 C. Determine la presión máxima y la temperatura del ciclo, la eficiencia térmica del ciclo y la presión media efectiva (Aire: Cp=1,005 KJ/Kg/K; Cv=0,718 KJ/Kg/K y Cp/Cv=1,4) b) (2,5 puntos) Repita el problema anterior pero considerando que se usa metanol como combustible. Ahora el calor que se añade es de 1700 KJ/Kg, y la razón de compresión volumétrica es de 10. (Aire: Cp=1,005 KJ/Kg/K; Cv=0,718 KJ/Kg/K y Cp/Cv=1,4) c) (2 puntos) Compare los resultados para las partes a y b, y discuta sobre la mejor opción para la producción de potencia. Solución: Recordemos cómo funciona el ciclo estándar de aire propuesto por Otto

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a) Razón de compresión 7, QH=1800 KJ/Kg, P1=90 KPa, T1=10oC=283.15K Usamos la presión de inicio y la razón de compresión para hallar la presión del punto 2 P2=90KPa*7=630 KPa; la temperatura del punto 2 la hallamos de acuerdo a la relación T*V^(gamma-1)=ctte válida para compresión isoentrópica

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Recordemos que todas las variables durante la compresión isoentrópica deben cumplir con las relaciones PV^gamma=ctte o T*V^(gamma-1)=ctte o T*P^((1gamma)/gamma). En la etapa de 2-3 tenemos la adición de calor a volumen constante (No hay trabajo si V=ctte), por lo que el balance de energía nos dice:

La temperatura y la presión máxima se alcanzan luego de la adición de calor a V=ctte. La temperatura máxima es de 3123.6 K, mientras que la presión máxima es de 6950 KPa.

Ahora calculemos la eficiencia térmica del ciclo usando la

expresión de la eficiencia para el ciclo Otto. Luego usamos la eficiencia para hallar el trabajo de expansión y de compresión. Sistemas de 1


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La presión media efectiva es de 1259.23 KPa. Repetimos todo ahora para el metanol, es decir para un QH=1700 KJ/Kg y una razón de compresión volumétrica de 10

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Recordemos que todas las variables durante la compresión isentrópica deben cumplir con las relaciones PV^gamma=ctte o T*V^(gamma-1)=ctte o T*P^((1gamma)/gamma). En la etapa de 2-3 tenemos la adición de calor a volumen constante (No hay trabajo si V=ctte) , por lo que el balance de energía nos dice:

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La temperatura y la presión máxima se alcanzan luego de la adición de calor a V=ctte. La temperatura máxima es de 3123.6 K, mientras que la presión máxima es de 6950 KPa.

Ahora calculemos la eficiencia térmica del ciclo usando la

expresión de la eficiencia para el ciclo Otto. Luego usamos la eficiencia para hallar el trabajo de expansión y de compresión.

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Evidentemente es mejor el ciclo de aire donde se usa metanol como combustible debido a que la eficiencia es superior, la temperatura máxima menor y el metanol es un combustible con menor impacto ambiental para sus gases de combustión. Problema 3 La figura muestra un ciclo de turbina de gas usado en un motor de carro. En la primera turbina el gas se expande hasta la presión P5, justo lo suficiente para generar un 150% del trabajo de mover el compresor. Luego el gas se expande a través de la segunda turbina conectada a los ejes de las ruedas. Asuma que el compresor tiene una eficiencia de 80%, ambas turbinas una eficiencia de 80%, y que el regenerador tiene una eficiencia del 70%. Asuma para el aire que (Aire: Cp=1,005 KJ/Kg/K; Cv=0,718 KJ/Kg/K y Cp/Cv=1,4) Determine: a) la presión intermedia P5 b) el trabajo neto específico producido c) el flujo másico de gas a través del motor.

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Solución: Tenemos las condiciones de entrada y la razón de compresión, por lo que podemos hallar la temperatura de salida para la eficiencia del compresor que es del 80 %

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La presión intermedia es de 290.37 KPa.

Ahora para hallar el trabajo neto

específico debemos hacer un balance de energía en la segunda turbina considerando que su eficiencia es del 80%

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El flujo másico de gas circulando por el ciclo es de 0.39Kg/s

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CONCLUSIONES Como sabemos generalmente el acondicionamiento de aire y climatización comprende todo lo que abarca con respecto a la temperatura, humedad, movimiento, distribución, pureza y ruido, las cuales de alguna y otra forma afectan las condiciones físicas y químicas de la atmosfera, dentro de cualquier lugar o local destinado a ocuparse por personas para confort y fines industriales. El objeto de la presente monografía fue concretar el procedimiento adecuado para el cálculo, selección, instalación y mantenimiento de los sistemas de aire acondicionado y climatización aplicados específicamente en los lugares donde más se suele usar. Esta monografía es esencialmente una guía para el desarrollo de un proyecto sobre este tema, aunque sabemos que los conceptos varían dependiendo de las necesidades que tengan, el procedimiento es básicamente el mismo, por ello podemos considerar esta monografía de gran utilidad tanto en el aspecto teoricoacademico como en el de aplicación. Esta elección de equipos y sistemas nos va a beneficiar, ya que satisfacera cualquier condición de un local y algo referido a ello, para su óptimo funcionamiento, además también reducirá costos de operaciones, instalaciones, mantenimiento y más aún lo importante que es el ahorro de la energía eléctrica. Concluyendo, podríamos decir que el tema tratado en esta monografía es un tema muy amplio que abarca muchos temas a tratar y que está en constante desarrollo, porque sabemos que cada año salen nuevos equipos, productos, etc; siendo de vital importancia que el Ingeniero Mecánico Eléctrico se actualicé continuamente para seguir siendo competitivo dentro del tema tratado.

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REFERENCIAS BIBLIGRAFICAS Asociación mexicana de empresas del ramo de instalaciones para la construcción A.C. (AMERIC)

Air Conditioning Manual TRANE THE TRANE COMPANY 1965

Manual Carrier “Aire Acondicionado” Capítulo 1 – análisis del local y estimación de la carga Capítulo 2 – condiciones del proyecto-condición interior del proyecto Ed. Marcombo 1999 J.P. Holman

Botero G. Camilo Refrigeracion y aire acondicionado Prentice Hall International, 1981

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ANEXOS Los acondicionadores de aire utilizan el ciclo de compresión del vapor, un proceso de 4 pasos (véase el cuadro 7-8).

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El método más simple es proporcionar ventilación local en los baños y en las cocinas para controlar la humedad (véase el cuadro 7-10).

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Los fabricantes también ofrecen ventiladores en línea para ventilar baños o cocinas individuales, o cuartos múltiples. Al distanciar el ventilador en línea, cuadro 7-11, del área habitable disminuye los problemas de ruido.

Los hogares en Kentucky son a menudo más húmedos que lo deseado. Un sistema combinado de deshumedificación-ventilación puede traer aire fresco adentro (pero aire exterior húmedo), remover la humedad, y suministrarlo al hogar (véase el cuadro 7-12).

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Este sistema de ventilación relativamente simple y barato del hogar total, cuadro 7-13, integra la ventilación local usando los extractores del cuarto de baño y de la cocina con un extractor de escape aumentado (generalmente 100 a 150 cfm) en un cuarto de baño situado centralmente. Sistemas de 1


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Un regulador separado de flujo de aire conectado al sistema de aire de vuelta suministra aire exterior. Cuando el extractor funciona, cuadro 7-14, el regulador de aire exterior se abre y permite que el aire entre al interior de la casa a través de conductos de aire forzado.

Un ventilador recuperación de enthalpy atrae el aire exterior fresco a través de un conducto adentro del equipo de intercambio de calor y recobra la energía de

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calefacción o de enfriamiento del aire viciado de los cuartos mientras está siendo eliminado (véase el cuadro 7-15).

El cuadro 7-16 muestra los fundamentos de la construcción resistente al radón para los espacios de arrastre y las losas/los tipos de los cimientos del sótano.

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