Unidad VI

Unidad VI: Equipos de tratamiento de aire

Unidad VI Equipos de tratamiento de aire Un equipo de aire acondicionado debe controlar la temperatura y la humedad específica del aire. Esencialmente consiste en un ventilador inductor de corriente, una unidad de evaporación (enfriamiento), un calentador y un humidificador donde se pulveriza agua en el interior del aire. Para determinar las condiciones ambientales de un sistema se puede jugar con una serie de factores que permiten conseguir en el mismo unas condiciones de humedad y temperatura adecuadas. Puede suceder que algunas de las etapas del acondicionador de aire no se utilicen, de acuerdo con las condiciones ambientales dadas. Así, por ejemplo, un proceso típico de acondicionamiento en verano, (enfriamiento y deshumidificación) y otro propio de invierno (calentamiento y humidificación), que subsana el inconveniente que tiene la calefacción ordinaria de resecar el aire al disminuir la humedad relativa. Las condiciones idóneas para una industria de tejidos no pueden ser las mismas que las de otra de productos farmacéuticos ya que éstos tienen que carecer de humedad; tampoco es lo mismo acondicionar una oficina o un laboratorio, por cuanto en este se sacrifica el bienestar de las personas para así evitar la oxidación de los equipos e instrumentación. Para las personas la humedad relativa ideal varía entre: 0.5 < F < 0.65. El anteproyecto depende del clima de la región, seco, húmedo, frío, cálido, etc; no es suficiente un simple calentamiento o una refrigeración del aire exterior, pues se llega a unas condiciones de sequedad en invierno y humedad en verano, inadmisibles, precediéndose entonces a una aportación de agua en invierno y a una desecación en verano. Las condiciones de salida del aire son diferentes de las de entrada por cuanto la existencia de personas implica el desprendimiento de energía por su actividad, lo mismo que las lámparas, motores, etc, que provocan el calentamiento del aire; asimismo, las personas desprenden por transpiración del orden de 50 gramos de agua por persona y hora, pudiendo existir máquinas de vapor que aportarán humedad al aire. Todo esto supone unas condiciones del aire en el interior de los locales, que se determinan mediante un punto en el diagrama psicrométrico y que es el punto de partida para iniciar un proyecto, función del número de personas, actividad, maquinaria, iluminación, etc. Instalaciones de aire acondicionado

Una instalación de aire acondicionado consta de: a) b) c) d)

Equipo central, Tuberías, Entradas del aire, Salidas del aire regulables y orientables.

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El equipo central consta de: a) Filtro de aire b) Elemento de calefacción c) Humidificadores; que producen vapor que hay que incorporar al aire; es un proceso que no resulta agradable por el olor. Es preferible poner al aire en contacto con agua caliente a la que lame superficialmente o bien se le inyecta pulverizada. d) Refrigeradores, que no son más que intercambiadores de calor que utilizan agua normal; si se desea un mayor efecto frigorífico se puede hacer pasar al aire lamiendo bloques de hielo. La desecación del aire se puede conseguir:  

Por efecto frigorífico, disminuyendo su temperatura, Haciendo pasar el aire a través de un material absorbente de humedad, pero tiene el inconveniente de que el aire no sólo se deseca sino que además se calienta.

6.1 Ventiladores, humidificadores, secadores, filtros, calentadores, enfriadores Ventiladores

Los ventiladores son máquinas destinadas a producir un incremento de presión total ΔP total total pequeño; convencionalmente se fija el límite de ΔP total total para ventiladores en 1 m.c.a., o una relación de compresión, εc = 1.1. 1.1. Si el incremento de presión no excede el valor indicado, la variación del volumen específico del gas a través de la máquina se puede despreciar en el cálculo de la misma, por lo que el ventilador se comporta como una turbo-máquina hidráulica. En la actualidad, en el diseño se tiene en cuenta la compresibilidad para incrementos de presión mucho menores, hasta 0.3 m.c.a., por lo que los ventiladores, hasta dicho incremento de presión, se pueden diseñar y considerar como una turbo-máquina hidráulica. Los soplantes o turbo-soplantes son máquinas destinadas a comprimir gases en donde la relación de compresión está comprendida en el intervalo (1.1< (1.1< εc < 3). El número de revoluciones de las turbo-soplantes varía de 3000 a 21000 rpm. El ventilador es una bomba roto-dinámica de gas que sirve para transportar gases, absorbiendo energía mecánica en el eje y devolviéndola al gas; se distingue del turbo-compresor en que las variaciones de presión en el interior del ventilador son tan pequeñas, que el gas se puede considerar prácticamente incompresible. Las fórmulas relativas al diseño y funcionamiento de las bombas centrífugas son de aplicación a los ventiladores, excepto aquellas que por su naturaleza sean propias de las bombas. Los ventiladores que se emplean comúnmente se pueden clasificar en tres tipos generales: gen erales:   

de hélice, axiales y centrífugos.

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El equipo central consta de: a) Filtro de aire b) Elemento de calefacción c) Humidificadores; que producen vapor que hay que incorporar al aire; es un proceso que no resulta agradable por el olor. Es preferible poner al aire en contacto con agua caliente a la que lame superficialmente o bien se le inyecta pulverizada. d) Refrigeradores, que no son más que intercambiadores de calor que utilizan agua normal; si se desea un mayor efecto frigorífico se puede hacer pasar al aire lamiendo bloques de hielo. La desecación del aire se puede conseguir:  

Por efecto frigorífico, disminuyendo su temperatura, Haciendo pasar el aire a través de un material absorbente de humedad, pero tiene el inconveniente de que el aire no sólo se deseca sino que además se calienta.

6.1 Ventiladores, humidificadores, secadores, filtros, calentadores, enfriadores Ventiladores

Los ventiladores son máquinas destinadas a producir un incremento de presión total ΔP total total pequeño; convencionalmente se fija el límite de ΔP total total para ventiladores en 1 m.c.a., o una relación de compresión, εc = 1.1. 1.1. Si el incremento de presión no excede el valor indicado, la variación del volumen específico del gas a través de la máquina se puede despreciar en el cálculo de la misma, por lo que el ventilador se comporta como una turbo-máquina hidráulica. En la actualidad, en el diseño se tiene en cuenta la compresibilidad para incrementos de presión mucho menores, hasta 0.3 m.c.a., por lo que los ventiladores, hasta dicho incremento de presión, se pueden diseñar y considerar como una turbo-máquina hidráulica. Los soplantes o turbo-soplantes son máquinas destinadas a comprimir gases en donde la relación de compresión está comprendida en el intervalo (1.1< (1.1< εc < 3). El número de revoluciones de las turbo-soplantes varía de 3000 a 21000 rpm. El ventilador es una bomba roto-dinámica de gas que sirve para transportar gases, absorbiendo energía mecánica en el eje y devolviéndola al gas; se distingue del turbo-compresor en que las variaciones de presión en el interior del ventilador son tan pequeñas, que el gas se puede considerar prácticamente incompresible. Las fórmulas relativas al diseño y funcionamiento de las bombas centrífugas son de aplicación a los ventiladores, excepto aquellas que por su naturaleza sean propias de las bombas. Los ventiladores que se emplean comúnmente se pueden clasificar en tres tipos generales: gen erales:   

de hélice, axiales y centrífugos.

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Ventilador de hélice Este ventilador consiste en una hélice dentro de un anillo o marco de montaje. La dirección de la corriente de aire es paralela a la flecha del ventilador. Se emplea para trasladar aire de un lugar a otro, o hacia el ambiente exterior, o para introducir aire fresco. Puede manejar grandes volúmenes de aire a una presión estática baja, raramente a presiones estáticas mayores de 25 mm de c.a. Se fabrica en muchos estilos y tipos para pa ra trabajos específicos. Los ventiladores de extracción (extractores) de uso normal, pueden tener desde 2 hasta 16 aspas, dependiendo ello del funcionamiento particular del ventilador. Generalmente las unidades de poco número de aspas se usan en ventiladores de baja presión y los que cuentan con un número mayor de aspas se emplean en aquellas aplicaciones que requieren presión. El ancho de las aspas, su ángulo, su velocidad axial y número de etapas, son factores todos que intervienen en el diseño y la capacidad.

Figura 6.1: Ventilador de hélice

Ventilador axial El ventilador axial es de diseño aerodinámico; los coeficientes de presión ψ oscilan entre oscilan entre (0.05 y 0.6) pudiendo llegar en algunos diseños hasta 1. Este tipo de ventilador consiste esencialmente en una hélice encerrada en una envolvente cilíndrica. La adición de álabes-guía, detrás del rotor, convierte al ventilador tubo-axial en un ventilador axial con aletas guía.

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Puede funcionar en un amplio rango de volúmenes de aire, a presiones estáticas que van de bajas a medias y es capaz de desarrollar mayores presiones estáticas que el ventilador tubo-axial y ser más eficiente; los álabes-guía, en la succión o en la descarga, o en ambas partes, se han añadido para enderezar el flujo del aire fuera de la unidad. Aprovechando la conversión del componente rotativo de la corriente de aire, este ventilador puede alcanzar una presión estática más alta que el de tipo de hélice de aspas rectas, a la misma velocidad axial, y hacerlo más eficientemente. La facilidad de montaje y el flujo del aire en línea recta los hace ideales para muchas aplicaciones; por encima de 75 a 100 mm de presión estática, los ventiladores axiales se usan pocas veces para servicios de ventilación.

Figura 6.2: Ventilador axial

Ventilador centrífugo El ventilador centrífugo consiste en un rotor encerrado en una envolvente de forma espiral; el aire, que entra a través del ojo del rotor paralelo a la flecha del ventilador, es succionado por el rotor y arrojado contra la envolvente se descarga por la salida en ángulo recto a la flecha; puede ser de entrada sencilla o de entrada doble. En un ventilador de entrada doble, el aire entra por ambos lados de la envolvente succionado por un rotor doble o por dos rotores sencillos montados lado a lado. Los rotores se fabrican en una gran variedad de diseños, pudiéndose clasificar, en general, en aquellos cuyas aspas son radiales, o inclinadas hacia adelante, o inclinadas hacia atrás del sentido de la rotación.

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Figura 6.3: Ventilador centrífugo

Humidificadores

Figura 6.4: Principio básico de humidificación

Si nos fijamos en las temperaturas seca y húmeda de los termómetros de un psicrómetro, veremos que normalmente, una de ellas, la del termómetro húmedo, es inferior a la temperatura ambiente que indica el termómetro seco. Este fenómeno nos indica que, teóricamente, si se hace entrar en contacto el aire con un cuerpo empapado de agua, podemos conseguir disminuir su temperatura hasta la indicada por el termómetro húmedo. Este proceso es el mismo que mantiene fresca la temperatura del agua de un botijo, y también el que se emplea para refrigerar las habitaciones en algunos países cálidos mediante esterillas humedecidas colocadas en las ventanas sobre las que sopla el viento. En este caso, al mismo tiempo que disminuye la temperatura del aire aumenta su humedad relativa.

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Una explicación elemental de este fenómeno reside en el hecho de que, para evaporar el agua necesaria para saturar el aire de humedad, es imprescindible aportar el calor de evaporación para conseguir transformarla en vapor de agua y este calor sólo puede proporcionarlo el mismo aire, con lo que disminuye su temperatura. Para concretar más, así como plantear la solución de procesos de refrigeración y humidificación, fijémonos en la figura 6.5 en la que, en el diagrama psicrométrico, se han señalado dos puntos, el A y B, que corresponden a dos estados determinados del aire:  

El punto A representa aire con una temperatura de 30 ºC y una humedad relativa del 40%. El punto B representa aire con una temperatura de 30ºC y una humedad relativa del 60%.

Figura 6.5: Representación de un proceso de humidificación en una carta psicrométrica

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En el caso de disponer de aire como el definido por el punto A, si lo ponemos en contacto íntimo con agua aquél se enfriará siguiendo el proceso marcado por la línea A-A’’, de tal manera que cuando se alcance el punto A’’ la temperatura del aire habrá descendido hasta 20 ºC y su humedad relativa será del 100%. Así la humedad absoluta habrá aumentado de 10.7 gr/kg (punto A1) a 14.7 gr/kg (punto A2). Es decir, cada kg de aire al mismo tiempo que desciende su temperatura en 10 ºC absorbe 4 gr de agua. Si el aire considerado es el definido por el punto B y, al igual que en el caso anterior, lo ponemos en contacto íntimo con agua se enfriará siguiendo el proceso marcado por la línea BB’’ descendiendo su temperatura a 24 ºC y alcanzando su humedad relativa también el 100 %. La humedad absoluta habrá aumentado de 16 gr/kg (punto B1) a 18.4 gr/kg (punto B2). Es decir, cada kg de aire, al mismo tiempo que disminuye su temperatura en 6 ºC, absorbe 2.4 gr de agua. En los dos ejemplos anteriores vemos que la disminución de la temperatura se consigue a costa de un aumento de la humedad del aire y que el efecto refrigerador de este tipo de proceso es tanto más acusado cuanto más seco sea el clima. Otra característica a tener en cuenta es que, debido al aumento de humedad del aire, la capacidad de disipación de calor del cuerpo humano, que se produce principalmente gracias a la transpiración, disminuye. Dispositivos para la refrigeración del aire La eficacia de un sistema de refrigeración por evaporación de agua depende: 1. De la superficie de contacto entre el aire y el agua. 2. De la velocidad relativa entre el aire y el agua durante el tiempo de contacto. 3. Del tiempo durante el que el aire está en contacto con el agua. 4. De la diferencia entre la temperatura húmeda del aire y la temperatura del agua. Los dispositivos diseñados tienden a optimizar las anteriores condiciones consiguiéndose rendimientos entre el 95 % y el 60 % de la diferencia entre la temperatura seca y húmeda del psicrómetro. Además de los sistemas sofisticados diseñados para este fin, la refrigeración del aire puede hacerse mediante dispositivos sencillos como los representados en las figuras 6.6 y 6.7.

Figura 6.6: Esquema de un proceso de humidificación por atomización de agua

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Figura 6.7: Esquema de un proceso de humidificación con un colector de gotas

El rendimiento que puede esperarse del humidificador mostrado en la figura 6.7 es del orden del 60 % de la diferencia entre las temperaturas seca y húmeda. Los sistemas de enfriamiento de aire por evaporación pueden clasificarse en directos o indirectos. En los primeros hay un contacto del aire con el agua ya sea haciendo pasar la corriente de aire a través de paneles húmedos, figura 6.7 o bien pulverizando agua dentro del chorro de aire de entrada, figura 6.6. Los sistemas indirectos tienen lugar a través de un intercambiador de calor. El rendimiento del sistema viene expresado por la fórmula: R  100

t 1  t 2 t 1  t '

Donde t 1 es la temperatura de bulbo seco del aire en la entrada, t 2 es la temperatura de bulbo seco del aire en la salida y t’ es la temperatura de bulbo húmedo del aire. Para instalaciones de refrigeración de grandes edificaciones como invernaderos agrícolas o granjas de animales se suelen disponer en todo un lateral del mismo o bien del techo, unos paneles porosos de fibra de celulosa rociados con agua por su parte alta en toda su longitud. El agua sobrante cae por gravedad y es recogida por un canalón inferior para ser recirculada. Los ventiladores se colocan en la pared opuesta extrayendo aire del local dejándolo en depresión, lo que fuerza a entrar el aire del exterior a través de los panales húmedos. En el mercado existen equipos compactos donde una misma caja aloja un ventilador, un panel húmedo y el equipo hidráulico necesarios para bombear el agua, conducirla y regar el panel. Es el 3 caso de la figura 6.8 que van del modelo sobremesa de 350 m /h, pasando por el modelo de 3 3 ventana hasta 7000 m /h para acabar en el de conexión a conductos hasta 30 000 m /h. La velocidad del aire a través del panel va de los 0.5 a 1.5 m/s.

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Figura 6.8: Esquema de un equipo evaporativo compacto

Otro modelo es de rociado por aspersión figura 6.9 dentro de la caja en donde se proyecta agua por unos pulverizadores contra el panel evaporativo. Es para grandes caudales que alcanzan los 3 60 000 m /h con velocidades de aire de 3 m/s.

Figura 6.9: Esquema de un equipo evaporativo con aspersores de agua

Y finalmente existe el de panel rotatorio (figura 6.10) que dispone el panel en forma de tambor giratorio con una parte del mismo sumergido en un tanque de agua del que emerge empapado para presentar su masa a la corriente de aire del ventilador. Se fabrica para caudales de hasta 3 20000 m /h y velocidades de 3 m/s.

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Figura 6.10: Esquema de un equipo evaporativo con tambor rotatorio

Secadores de aire

Existen varios procedimientos para secar el aire:   

Secado por absorción Secado por adsorción Secado por enfriamiento

Secado por absorción El secado por absorción es un procedimiento puramente químico. El aire comprimido pasa a través de un lecho de sustancias secantes. En cuanto el agua o vapor de agua entra en contacto con dicha sustancia, se combina químicamente con ésta y se desprende como mezcla de agua y sustancia secante. Esta mezcla tiene que ser eliminada regularmente del absorbedor. Ello se puede realizar manual o automáticamente. Con el tiempo se consume la sustancia secante, y debe suplirse en intervalos regulares (2 a 4 veces al año). Al mismo tiempo, en el secador por absorción se separan vapores y partículas de aceite. No obstante, las cantidades de aceite, si son grandes, influyen en el funcionamiento del secador. Por esto conviene montar un filtro fino delante de éste.

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Salida de aire

Agente secador

Condensado Entrada de aire Evacuación del condensado Figura 6.11: Esquema de un secador de aire por absorción

Secado por adsorción El principio del secado por adsorción se basa en un proceso físico de adsorción: deposito de sustancias sobre la superficie de cuerpos sólidos. El material de secado es granuloso con cantos vivos o en forma de perlas y se compone de casi un 100 % de dióxido de silicio. A esta sustancia se le da el nombre de gel. La misión del gel consiste en adsorber el agua y el vapor de agua. El aire comprimido húmedo se hace pasar a través del lecho de gel, que fija la humedad. La capacidad adsorbente del gel es naturalmente limitada. Si está saturado, se regenera de forma simple haciendo soplar aire caliente para absorber la humedad del material de secado. Este calor necesario para la regeneración puede aplicarse por medio de corriente eléctrica o también con aire comprimido caliente. Disponiendo en paralelo dos secadores, se puede emplear uno para el secado del aire, mientras el otro es regenerado (soplándolo con aire caliente). En el procedimiento de absorción se distingue:   

Instalación simple, Reducido desgaste mecánico, porque el secador no tiene piezas móviles No necesita aportación de energía exterior

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1.

sensor de humedad y temperatura del aire seco, 2. sensor de temperatura del aire de regeneración, 3. sensor de humedad y temperatura del aire ambiente, 4. columnas de adsorción, 5. sensor de humedad y temperatura del aire de entrada húmedo, 6. compresor para aire de entrada, 7. grupo frigorífico, 8. humectador (baño de agua), 9. sensores de caudal del aire de regeneración y del aire de entrada, 10. compresor del aire de regeneración, 11. armario de distribución con elementos de mando, 12. dispositivo de calefacción del aire de regeneración

Figura 6.12: Esquema de un secador de aire por adsorción

Figura 6.13: Secador de aire por adsorción CE 540 GUNT Hamburg

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Secado por enfriamiento Los secadores de aire comprimido por enfriamiento se basan en el principio de una reducción de la temperatura por debajo del punto de rocío. Se entiende por temperatura del punto de rocío aquella a la que hay que enfriar un gas para condensar el vapor de agua contenido. El aire comprimido que entra en el secador se enfría mediante refrigerante en el evaporador. El condensado de aceite y agua se evacua del intercambiador de calor a través del separador y el aire preenfriado pasa por el grupo frigorífico (vaporizador) enfriándolo más hasta una temperatura de 274.7 K (1.7 °C). En este proceso se elimina por segunda vez el agua y aceite condensados. Finalmente, se pasa el aire comprimido por un filtro fino con el objeto de eliminar nuevamente partículas de suciedad.

Figura 6.14: Secador de aire por refrigeración

Filtro de aire

Es un dispositivo que elimina partículas sólidas como por ejemplo polvo, polen y bacterias del aire. Los filtros de aire encuentran una utilidad allí donde la calidad del aire es de relevancia, especialmente en sistemas de ventilación de edificios y procesos industriales. Algunos edificios utilizan filtros a partir de espuma, papel plegado, o fibra de vidrio cruzada. Otro método usa fibra o elementos con carga eléctrica estática, que atraen las partículas de polvo. Los filtros bañados en aceite han ido desapareciendo. Filtros mecánicos Hay cuatro tipos principales de materiales usados para los filtros mecánicos de aire: papel, espuma, fibras sintéticas y algodón. Los filtros de aire se encuentran en la mayoría de sistemas de flujo de aire forzado (HVAC). La eficacia de los filtros de aire en tales sistemas influye de forma significativa en la calidad del aire en el interior. El estándar recomendado por la industria de la construcción, así como las directrices de gobiernos, recomiendan el uso filtros de aire que cumplan unos requisitos mínimos. El United States Department of Energy de los Estados Unidos recomienda un Minimum

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Efficiency Reporting Value (Valor de Eficacia Mínima a Reportar), MERV de 13 según lo estipulado en el protocolo de ensayo ASHRAE 5.2.2-1999, mientras que la ASHRAE recomienda filtros de aire con un MERV de 6 o mayor para controlar las cantidades de polen, moho y polvo que alcanzan las bobinas mojadas del evaporador en los sistemas de aire acondicionado. Bobinas húmedas contaminadas con altos niveles de polen y polvo pueden favorecer el crecimiento de colonias de moho. Dado que la eficacia desciende bajo un determinado nivel de suciedad, los filtros requieren mantenimiento. Hay diferentes tipos de filtros disponibles para sistemas de HVAC. Muchos de ellos son económicos pero no muy eficientes. Muchos de los filtros ensamblados dentro de los conductos en los edificios para aire acondicionado y HVAC’s están hechos de fibra de vidrio cruzada. Estos filtros no son caros, son desechables, y están disponibles en diferentes densidades y tamaños. Los filtros de baja densidad permiten un mayor flujo de aire, pero filtran menos suciedad. Por otro lado, los filtros de alta densidad retienen más partículas pero permiten un flujo de aire menor y por ello se ensucian antes. El poliéster o la fibra de vidrio se usan frecuentemente para la fabricación de filtros de aires. Ambos materiales son adecuados para temperaturas de hasta 120 °C, y su uso es común en aplicaciones residenciales, comerciales e industriales. El poliéster y la fibra de vidrio pueden mezclarse con algodón u otras fibras para producir un amplio espectro de características del material. En algunos casos el polipropileno, de menor tolerancia a altas temperaturas, se usa para mejorar la resistencia química. Unas diminutas fibras sintéticas conocidas como microfibras se usan en muchos tipos de filtros del tipo High Efficiency Particulate Air , HEPA (al español, "Aire de Partículas de Alta Eficiencia").

Figura 6.15: Filtros para aire acondicionado MYERS a) Excelsior, b) Cool Pad y c) Master Cool

Filtros electrostáticos Existen otros tipos de filtros de aire para usos ajenos al aire acondicionado. Tal es el caso de los filtros electrostáticos usados en todos los procesos industriales, uno de ellos la cocción de alimentos en bares y restaurantes, se generan una serie de subproductos, de muchos de ellos ya se ha demostrado que afectan la salud de las personas ó a su bienestar y que deterioran a la vez el medio ambiente. Este producto, esta pensado p ara paliar estos efectos.

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A diferencia de la mayoría de los filtros mecánicos que simplemente captan las partículas aerotransportadas más grandes, los purificadores electrónicos atraen y retienen los contaminantes como si fueran poderosos imanes. Millones de partículas de polvo, humo y polen son llevadas a través del aire hacia el depurador. Los filtros-precipitadores electrostáticos, se basan en el hecho de que las partículas cargadas eléctricamente, sujetas a un campo eléctrico, son atraídas hacía los electrodos que crean dicho campo y son depositadas sobre ellos. La separación de las partículas suspendidas en el aire, requieren tres etapas fundamentales: 1) La ionización de las partículas suspendidas en el aire, se logra haciendo pasar aquellas a través de un sistema de electrodos construidos con hilos de tungsteno de 0.2 mm de diámetro y unas placas de aluminio. 2) Cargadas ya las partículas suspendidas, al pasar a través de un campo electrostático, construido por un conjunto de placas de aluminio conectadas alternativamente a distinto potencial, se mueven hacía los electrodos donde quedan depositadas. En el caso de gotas líquidas, se produce coalescencia, y la película líquida se aprecia se desliza a lo largo de las placas de aluminio. 3) Eliminación del material recogido en los electrodos, mediante la limpieza de los mismos. La eficiencia de este tipo de filtros esta ligada a la velocidad de paso del aire contaminado. Con una velocidad alta en la primera etapa, es difícil el proceso de ionización, pudiendo ocurrir que alguna partícula no quede ionizada y en la segunda etapa, esa velocidad hace que la inercia del ión no pueda ser contrarrestada por la fuerza del campo electrostático y el ión no quede retenido en las placas colectoras. La velocidad de migración, es decir, la velocidad con que el ión se dirige a las placas colectoras depende de la fuerza del campo eléctrico. De esto se deduce la importancia de trabajar al máximo voltaje del electrodo. Sin embargo, llega un momento en que no se debe incrementar este, porque se producirían descargas muy frecuentes entre las placas, llegando a ser ineficaz el precipitador. Teniendo presente que la velocidad de migración aumenta con el tamaño de las partículas podría pensarse que la eficiencia se reduciría mucho para partículas muy pequeñas, pero en la practica esta reducción no es muy pronunciada. Otras variables que inciden en el proceso de precipitación electrostática es la viscosidad de las partículas, que produce una disminución de la eficacia. Esto comporta que la eficiencia aumenta cuando disminuye la temperatura del aire. Debemos por ello, reciclar la mayor cantidad de aire posible, con la consiguiente depuración, y realizar otra antes de impulsar el aire contaminado al exterior. Como el grado de contaminación a donde van destinados estos equipos es muy alto, el proceso de filtración electrostática se realiza en dos celdas, en una de ellas se consigue la ionización de las partículas y en otra su captación. De esta manera el proceso de limpieza es más fácil y seguro.

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Cuando la ionización y captación de partículas se realiza en la misma celda, al limpiar esta puede ocurrir que se desprenda algún hilo ionizador.

Figura 6.16: Filtros para aire acondicionado MYERS a) Excelsior, b) C ool Pad y c) Master Cool

Las capacidades y los costos de estos equipos son variables. En la figura 6.17 se muestran estos valores para un filtro electrostático utilizando ventiladores centrífugos. Esta empresa ofrece al mercado un filtro electrostático con 2 ventiladores axiales, con dimensiones físicas de 1.3x2.19x1.98 m y con un costo de 57 876.23 Euros.

Figura 6.17: Características y costos del filtro electrostático CONAIRCAN con ventilador centrífugo

6.2 Datos necesarios para un proyecto de aire acondicionado

Los datos necesarios para el acondicionamiento de un espacio son: 1. Levantamiento de datos. En los espacios físicos que ya están construidos es necesario definir algunos datos que serán necesarios para los cálculos posteriores: Dimensiones físicas y material de construcción de paredes, piso, techo y ventanas.  Orientación de paredes y ventanas  Tipo de ventanas  16


  



Número de personas y actividad a desarrollar dentro de cada espacio Numero y capacidad de lámparas Aparatos dentro del espacio: TV, computadoras, cafeteras, aparatos de oficina, motores, etc. Lugar: altitud sobre el nivel del mar, temperaturas de bulbo seco y bulbo húmedo

2. Cálculo de la carga térmica Con los datos anteriores se calcula la cantidad de calor que se debe eliminar del espacio para condiciones confort. Este cálculo debe considerar: Transmisión de calor en paredes exteriores  Transmisión de calor en paredes interiores  Transmisión de calor en ventanas  Transmisión de calor en techo  Transmisión de calor en piso  Aire exterior sensible  Calor sensible generado por personas  Calor sensible generado por aparatos  Aire exterior latente  Calor latente generado por personas  Calor latente generado por aparatos  3. Cálculo de la cantidad de aire a suministrar. Este cálculo se realiza a partir del calor sensible t otal y el calor latente total. 4. Selección del equipo de aire acondicionado. Considerando la carga térmica y el volumen de aire a suministrar se realiza la selección apropiada del equipo considerando la mejor alternativa dependiendo de la actividad que deberá realizarse. Para ello debe considerarse: Los equipos de ventana son más económicos y fáciles de instalar,  Los equipos mini splits son fáciles de instalar y adecuados para lugares donde se desea  poco ruido, y Los equipos integrales distribuyen el aire correctamente en los espacios a través de  ductos. Su costo es mayor que los anteriores pero su eficiencia es muy alta. 5. Si el sistema seleccionado es la utilización de un equipo integral, es necesario diseñar y dimensionar adecuadamente un sistema de ductos considerando alguno de los métodos ofrecidos en la literatura. Deben tomarse en cuenta todas las consideraciones para la proyección del sistema: Distribuir el flujo volumétrico en cada ducto de salida de acuerdo a la necesidad del área,  ductos rectangulares considerando una relación de 6:1,  sistema simple evitando codos innecesarios,   balancear el flujo volumétrico de aire en los diversos ramales del sistema, 6. Calcular le cantidad de lámina para la fabricación del sistema de ductos. 7. Calcular la fricción máxima en el sistema considerando el recorrido con más caída de presión. Este no es precisamente el más largo sino el que presenta mayor caída de presión por codos, cambios de secciones y longitud.

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6.3 Ejemplo de estimación de carga térmica para aire acondicionado de un local dado

El sistema para todo el año debe cumplir con factores que afectan las condiciones en verano e invierno. En general, son de carácter opuesto. En invierno añadir calor y humidificar; en verano queremos retirar calor y dehumidificar. Pero estos conceptos opuestos, tienen dos cosas en común: calor sensible y calor latente. Los factores de carga sensible se derivan de:     

Transmisión de calor a través de paredes, piso, techo, puertas, ventanas, etc. El calor producido (o perdido) al traer aire ex terior para ventilación. El calor producido por los ocupantes. El calor solar incidente (radiación). El calor de luces, aparatos de cocina, secadores, motores, etc.

Los factores de calor latente se derivan de:   

La humedad cedida por personas. La humedad en aparatos de cocina, secadores y baños. La humedad introducida con el aire de ventilación.

Transmisión de calor

La ganancia de calor a través de paredes, piso y techo variará con el tipo de construcción, el área expuesta a diferentes temperaturas, el tipo y espesor del aislamiento, y la diferencia de temperatura entre el espacio acondicionado y el aire exterior. La conductividad térmica varía directamente con el tiempo, área y la diferencia de temperatura. Se aprecia claramente que para reducir la transferencia de calor, la conductividad térmica del material debe ser tan pequeña como sea posible, y el material tan ancho como sea factible. Para simplificar la tarea de calcular las pérdidas de calor, s e utiliza la siguiente expresión:

Q  U A T

(6.1)

Donde U es el coeficiente total de transferencia de calor, A es el área que transmite calor y T es la diferencia de temperaturas. Este coeficiente total de transferencia de calor es calculado a partir de la expresión: U 

1 Rt

Donde:

Rt 

1 hi



 x1 k 1



 x2 k 2



1 c1



1 ho

(6.2)

Donde ho y hi son los coeficientes de transferencia de calor por convección exterior e interior de la pared, respectivamente,  x1 y  x2 son los espesores de los materiales, k 1 y k 2 son las conductividades térmicas de los materiales y C 1 es la conductancia térmica del material.

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Aislamiento

La función real del aislamiento es resistir el flujo de calor. La habilidad para hacer esto también se expresa en su valor real R, el cual es el método desarrollado por la National Mineral Wool Insulation Association al comparar el valor aislante de sus productos al de otros materiales. A mayor valor de R, mejor el aislamiento. Por ejemplo, 3 ½ pulg de fibra de vidrio tiene un valor de R de 11. Para lograr el mismo grado de resistencia con otros materiales sería necesario: (1) Una pared de madera de 1 ft de espesor. (2) Una pared de ladrillo de 4 ½ pies de espesor. (3) Una pared de concreto reforzado de 10 ft de espesor. (4) Una pared de piedra de 17 ft de espesor. El material aislante viene en tres formas populares:  Mantas flexibles, las cuales vienen en grandes rollos,  láminas, en longitudes de 96 pulgadas o menos, y  material flojo, en bolsas que contiene material fibroso. Tanto los aislamientos en mantas enrolladas como en láminas, vienen con un papel impregnado en asfalto en un lado, como barrera resistente al vapor. También tiene un acople de una pulgada en los extremos, para fácil y rápida instalación. Otra opción es el foil de aluminio brillante aplicado en un lado del aislamiento de la fibra de vidrio. El foil refleja el calor radiante. El material de vaciar se usa principalmente en estructuras existentes y donde el uso de rollos y bloques no puede ser posible. El material flojo también se puede colocar en el espacio entre cuartones, vigas, etc. Los factores de R dependen del material y la profundidad, por tanto deben verificarse las especificaciones; el valor puede variar para los diferentes fabricantes: Valor de R

Espesor mínimo (Pulg)

-22 R-19 R-11

10 8¾ 5

R

Efecto solar

Una de las fuentes externas más grandes de cargas de calor, en el verano, es el Sol. El calor del Sol puede introducirse al edificio a través del vidrio, a través del techo o a través de las paredes. El calor solar a través del vidrio es absorbido instantáneamente por el cuarto. Esto es una adición al calor conducido que pasa por el vidrio. En el caso de las paredes y el techo, el Sol calienta la superficie exterior y luego es conducido al cuarto. Dependiendo del tipo de construcción y el aislamiento, hay usualmente un retardo de tiempo de 2 a 10 horas antes de que el calor alcance el cuarto. Esto significa que puede pasar calor después de que el Sol se haya ocultado. La cantidad exacta de ganancia de calor de una fuente u otra depende del área, la orientación de cada pared, el sombreado, el tipo y color de la superficie expuesta al Sol. La cantidad también

19


depende de la posición del Sol; esto es, la estación del año, el tiempo del día y la latitud a la cual se encuentre ubicado el edificio. Experimentos muestran que el efecto solar a través de vidrios para un día típico de agosto, que la exposición este, está en su máximo punto aproximadamente a las 8:00 a.m. La exposición sur tiene su pico al medio día y la oeste cerca de las 4:00 p.m. Una exposición norte recibe algo de calor reflejado, pero es una cantidad muy pequeña comparada con la radiación directa. Para una residencia con un gran ventanal, cuando no se puede cambiar la orientación, un sombreado efectivo del vidrio puede proporcionar una reducción apreciable en la ganancia de calor solar durante el verano. El sombreado exterior del vidrio puede lograrse a través del uso:  De un alero en el edificio,  mediante toldos exteriores,  de pantallas solares,  o persianas verticales. Estas son las más efectivas para rechazar los rayos solares directos; ellas pueden reducir cerca del 75 %. El sombreado interior no es tan efectivo: Las persianas venecianas reflejan solo cerca del 3 5 % de los rayos solares.  

Las telas ligeras ayudan a reflejar la luz exterior.



El vidrio aislado reduce la penetración solar cerca de 10-20 % sobre el vidrio ordinario.

Carga de ventilación

Ningún edificio es 100 % hermético, la gente debe abrir puertas para entrar o salir del mismo. Así, una cierta cantidad de aire exterior entra al edificio por este proceso; llamamos a esto infiltración. Así es práctica común proveer al sistema con un ducto de entrada de aire fresco. El aire exterior es luego filtrado, calentado o enfriado antes de entrar al espacio acondicionado. La ventilación mecánica crea una ligera presión interna en el edificio, reduciendo así la infiltración. Cargas internas

Una de las más importantes fuentes de calor interno es la gente. La gente en un cuarto cede calor sensible y latente. La cantidad exacta se determina por el tipo de actividad que se está efectuando; la gente en reposo en un teatro libera cerca de 350 Btu/h de calor por persona, de los cuales, 235 Btu/h son de calor sensible y 115 Btu/h de calor latente. Compare que la gente danzando libera un total de 900 Btu/h por persona, de los cuales 325 son de calor sensible y 575 de calor latente. La iluminación y los aparatos, son otras formas de fuentes de calor interno. Las luces incandescentes ceden 3.4 Btu/h por Watt de electricidad consumido. Las luces fluorescentes, sin embargo, requieren potencia extra-cerca del 25 % más. Así, una lámpara nominal de 40 W de tipo fluorescente consume 50 W y produce 170 Btu/h de calor. Aparatos como cafeteras producen 1000 Btu/h (770 sensible y 230 latente). Las estufas eléctricas con varias boquillas y hornos producen una gran cantidad de calor, así como los televisores y radios.

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Instituto Tecnológico de Tuxtla Gutiérrez Ingeniería Mecánica

Hoja de cálculo Dirección

Cantidad

m m m m m m m m m m m m m m

A. Pared exterior (Tabla 6.1)

B. Pared interior (Tabla 6.1)

C. Ventanas

D. E. F. G. H.

(Tabla 6.2)

Techo (Tabla 6.3) Piso (Tabla 6.4) Aire exterior sensible (Tabla A) Calor sensible generado por personas Calor sensible generado por aparatos

(Tabla B) (Tabla C)

Calor sensible total (Btu/h) I. Aire exterior latente (Tabla A) J. Calor latente generado por personas (Tabla B) K. Calor latente generado por aparatos (Tabla C) Calor latente total

Calor total

(Btu/h)

(Btu/h)

Conversión al SI: 1 kW = 3412.14 Btu/h

21

Factor

Calor (Btu/h)


Tabla A. Cálculo del calor sensible y latente del aire

1. Ventilación No. de personas

x

______________

x

PCM por persona

=

______________ (Tabla 6.5)

PCM

totales.

=

___________

PCM

=

____________ PCM

2.- Infiltración 3

Volumen total (m ): ______________ x

0.6

+ 3

Extracción (Volumen en ft x no. de renovación por min)

= =

Total

____________ PCM ____________ PCM

Nota: Use el valor más grande obtenido arriba para el cálculo de calor sensible y calor latente.

1. Calor sensible exterior: PCM total

x

fs (Tabla 6.5-A)

x

T

(°F)

_________ x ______________ x __________

= =

Q s __________

Btu h

2. Calor latente exterior: PCM total

x 0.7 x

__________

x 0.7 x

Ws

 Granos de vapor     Lbm de aire seco 

=

_____________________ =

22

Q L

__________

Btu h


Tabla B.

Actividad

Cálculo de calor sensible y latente que generan las personas (Btu/h)

Cantidad

Factor

Factor

Q s

Q L

Total

Nota: Los datos son obtenidos de la Tabla 6.6.

Tabla C.

Cálculo de calor sensible y latente que generan los aparatos (Btu/h)

Lámparas y aparatos

Cantidad

Factor

Q s

Total

Nota: Los datos son obtenidos de la Tabla 6.7

23

Factor

Q L


Tabla 6.1

Horario

Factor para paredes

8-11 h

Dirección

N

NE E SE

0 0 0 0

110 40 40 20

11-14 h

S

SO O NO

10 10 0 0

0 0 10 10

N

NE E SE

20 10 0 0

90 40 90 40

14-17 h

S

SO O NO

N

NE E SE

80 35 35 20

30 20 10 10

40 20 20 10

55 20 80 40

17-20 h SO O NO

S

N

NE E SE

20-23 h SO O NO

S

N

NE E SE

S

SO O NO

Pared exterior Construcción ligera sin aislamiento Construcción ligera con 2” de aisl. Construcción pesada sin aisl. Construcción pesada con 2” de aisl.

90 110 40 40 40 10 80 40 40 35 20 20

55 20 65 30

55 110 20 20 65 10 90 80 40 30 30 20

30 10 40 20

35 10 45 20

60 20 110 60

Entre un espacio acondicionado --------------------- 0 Entre un espacio sin acondicionar ------------------- 40 Entre un espacio de alta temperatura --------------- 170

Pared interior

Para un diferencial de temperatura de 20 °F se agrega 10 a los factores de arriba Para un diferencial de temperatura de 25 °F se agrega 20 a los factores de ar riba Para un diferencial de temperatura de 30 °F se agrega 30 a los factores de ar riba

Tabla 6.2 Factores de vidrio (Basados en un diferencial de temperatura de 15 °F)

Horario Dirección Sin sombreado Con sombreado interior Con sombreado exterior Vidrio block Vidrios de exhibición

8-11h NE 800 500 420 300 170

E SE 1980 840 580 730 170

11-14 h Cualq otra 380 270 220 270 160

SE SO 730 460 400 240 190

Cualq otra 380 270 220 270 160

14-17 h S

S

930 570 460 480 190

630 400 380 400 280

NO SO 1260 770 550 690 280

17-20 h

O 1810 1080 690 880 290

Cualq otra 380 270 220 270 160

SO NO 1000 670 500 490 300

20-23 h

Cualq O otra 380 1500 270 930 220 620 270 820 160 300

Agregar a los factores de arriba: 10 por cada °F de diferencial de temperatura mayor de 15 °F.

24


Tabla 6.3 Factores de techo

Horario

8-11 h

11-14 h

14-17 h

17-20 h

20-23 h

Techo solo sin aislamiento Techo solo con 2” de aislamiento Techo con cielo falso sin aislamiento Techo con cielo falso con 2” de aislamiento Techo abajo de un espacio: acondicionado ----------------------- 0 sin acondicionar --------------------- 40

60 20 40 20

190 60 140 40

180 60 130 40

150 40 110 30

40 20 30 20

Para un diferencial de temperatura de 20 °F se agrega 10 a los factores de arriba Para un diferencial de temperatura de 25 °F se agrega 20 a los factores de arriba Para un diferencial de temperatura de 30 °F se agrega 30 a los factores de arriba

Tabla 6.4

Factores de piso

Posición del piso

Factor

330 220 220 220 160


Tabla 6.3 Factores de techo

Horario

8-11 h

11-14 h

14-17 h

17-20 h

20-23 h

Techo solo sin aislamiento Techo solo con 2” de aislamiento Techo con cielo falso sin aislamiento Techo con cielo falso con 2” de aislamiento Techo abajo de un espacio: acondicionado ----------------------- 0 sin acondicionar --------------------- 40

60 20 40 20

190 60 140 40

180 60 130 40

150 40 110 30

40 20 30 20

Para un diferencial de temperatura de 20 °F se agrega 10 a los factores de arriba Para un diferencial de temperatura de 25 °F se agrega 20 a los factores de arriba Para un diferencial de temperatura de 30 °F se agrega 30 a los factores de arriba

Tabla 6.4

Factores de piso

Posición del piso

Factor

Sobre un espacio acondicionado Directo sobre la tierra o sobre un sótano normal Sobre un espacio sin acondicionar Sobre un espacio a alta temperatura

0 0 60 190

Tabla 6.5 Cantidad de aire recomendado del exterior

Aplicación

PCM recomendado por persona

Departamentos normales Departamento de lujo Bancos Peluquerías Salones de belleza Bares Salas de juntas Tiendas de departamentos Fabricas Funerarias ( salones ) Cafeterías Cuartos privados de hospitales Salas de esperas en hospitales Habitaciones de hotel Laboratorios Salones de reuniones con excesivo humo generales Oficinas privadas sin humo privadas con poco humo Cafetería de restaurantes Comedor de restaurantes Teatros sin humo de cigarros Teatros con poco humo

20 30 10 15 10 30 50 7.5 10 10 10 30 20 30 20 50 15 25 30 12 15 7.5 15

25


Tabla 6.5-A

Factor sensible a diferentes alturas

Altitud sobre el nivel del mar (m)

Factor sensible

0 500 1000 1500 2000 2500 3000

(Fs)

1.08 1.01 0.96 0.91 0.86 0.81 0.77

Tabla 6.6 Ganancia de calor (Carga por persona en Btu/h)

Actividad

Calor sensible

Aplicación típica

Calor latente

Sentado en reposo Escuela, teatro o iglesia 180 Sentado efectuando un trabajo ligero Oficina, apartamento o motel 195 Caminando efectuando trabajo ligero Supermercado o tienda de departamento 200 Trabajo sedentario Restaurante 220 Baile moderado Pista de baile 245 Boliche o trabajo pesado Boliche o fábrica 455 En un boliche se considera una persona jugando y las demás efectuando trabajo sedentario

150 205 250 330 605 985

Tabla 6.7 Carga de alumbrado eléctrico y aparatos diversos

Factor (Btu/h)

Descripción Luces incandescentes - Watts Luces fluorescentes - Watts Motores por hp

1/8 - 1/2 hp 1/2 - 3 hp 3 - 20 hp

Horno de gas domestico Cafeteras eléctricas - por cada litro Cafeteras de gas doméstico - por litro Parrilla eléctrica - por centímetro cuadrado Estufa mediana - por quemador Calentamiento de agua Secadora de pelo tipo casco Secadora de pelo tipo soplador Plancha de vapor - por pie cuadrado

Nota:

Sensible

Latente

3.413 4.250 4250 3700 2950 8100 200 230 5.3 3100 3150 1870 2300 200

----------4000 130 230 2.8 1700 3850 330 400 1000

Para aparatos con campana o extractor los factores se reducen en un 50 %.

26


6.4 Diseño de equipo de aire acondicionado para condiciones de verano e invierno

La climatización consiste en crear unas condiciones de temperatura, humedad y limpieza del aire adecuadas para la comodidad dentro de los espacios habitados. La climatización puede ser natural o artificial. La climatización tiene dos vertientes: 1. la calefacción, o climatización de invierno, y 2. la refrigeración o climatización de verano. La comodidad térmica, importante para el bienestar, está sujeta a tres factores: 1. El factor humano. La manera de vestir, el nivel de actividad y el tiempo durante el cual las personas permanecen en la misma situación, influye sobre la comodidad térmica. 2. El espacio La temperatura de radiación y la temperatura ambiental. 3. El aire. Su temperatura, su velocidad y su humedad. Entre estos factores, el humano puede ser muy variable, puesto que depende del gusto o actividad de las personas. Los otros factores pueden controlarse para ofrecer una sensación de bienestar. El cambio de la manera de construir los edificios, los métodos de trabajo, y los niveles de ocupación han creado nuevos parámetros a los que los diseñadores ahora deben prestar atención. Los edificios modernos producen, hoy día, muchas más cargas térmicas que hace 50 años, por varios motivos: La radiación solar Con el desarrollo de los nuevos edificios, las nuevas técnicas han favorecido el empleo del cristal y el incremento térmico es considerable cuando la radiación solar los atraviesa. La ocupación El número de ocupantes aumenta en los edificios, generando cada uno 220 W de carga térmica. Los aparatos Ordenadores, impresoras, y fotocopiadoras, son una parte integral de las oficinas modernas y generan cargas térmicas importantes. La iluminación Muchos Grandes Almacenes modernos pueden calentarse gracias únicamente a su sistema de iluminación, obteniendo un promedio de 15 a 25 W/m², y al calor producido por los usuarios. Esta situación es bastante frecuente en Europa. La ventilación La introducción de aire exterior en el edificio puede modificar la temperatura interna de éste, lo cual puede suponer un problema cuando el aire exterior está a 30°C. Todas estas cargas térmicas deberían ser dominadas y compensadas si uno desea obtener un ambiente confortable. El único medio de asegurarse esta comodidad es la climatización.

27


Modo de refrigeración

Los principios de la refrigeración se basan en transporte de calor de un punto a otro, y el medio generalmente usado para este movimiento de calor es el refrigerante. El refrigerante atraviesa un intercambiador de calor interno para absorber el exceso de calor presente en el equipo. Pasa entonces al estado gaseoso y se lleva hacia el intercambiador exterior por tubos de cobre de sección pequeña para descargar el calor acumulado en la atmósfera. El refrigerante de esta manera se hace otra vez líquido y se lleva de nuevo al intercambiador interior para comenzar otra vez el mismo ciclo, continuando todo esto, hasta la obtención de la temperatura deseada. Modo calefacción

Los climatizadores denominados reversibles permiten, además, hacer el ciclo antes indicado, pero para el proceso de calentamiento. Un climatizador reversible extrae el calor 'libre" del exterior y lo transfiere hacia el interior. Este principio sigue trabajando en días muy fríos con las temperaturas exteriores de -5 °C, -10 °C y hasta -15°C, según el tipo de climatizador usado. Por consiguiente, el climatizador reversible constituye un sistema de calefacción separado y permite calentarse y refrescarse con el mismo aparato. Sin embargo suele resultar más económico, desde el punto de vista del consumo energético, utilizar un calentador por combustión (caldera) suministrando el calor mediante un caloportador al sistema de reparto interior.

Figura 6.18: Sistema de ductos en una casa habitación

28


Figura 6.19: Esquema de un sistema de climatización para verano e invierno

Selección del equipo

Para hacer la selección adecuada del equipo deben considerarse dos factores: 1. La carga térmica 2. El flujo volumétrico de aire La carga térmica debe ser calculada para cada espacio considerando el método previamente descrito. El flujo volumétrico debe ser calculado considerando el calor sensible total (q s) obtenido de la carga térmica a partir de la expresión:  

Q Cp ΔT q s  m Cp ΔT  v 

(6.3)



Donde m es el flujo másico, Q es el flujo volumétrico o gasto de aire, Cp es el calor específico a presión constante (en el sistema inglés es 0.24 Btu/lbm·ºF), ΔT la diferencia de temperatura del aire interior-exterior y v el volumen específico del aire exterior. Despejando el flujo volumétrico de la expresión anterior 

Q

v qs

(6.4)

Cp ΔT

Con estos datos puede seleccionarse el equipo adecuado con la ayuda de un catálogo: Carrier, York, LG, Trane, General Electric, etc.

29


Ductos

La ecuación de la energía es aplicable al caso del aire fluyendo en un ducto; eliminando de la ecuación algunos términos tales como la energía potencial y el calor transferido, tenemos: P 1v1 

V 12 2 g

 P 2v 2 

V 22 2 g

 778 u 2  u1  P 2v 2 

V 22 2 g

 perdidas

(6.5)

Esta ecuación establece los términos de la energía mecánica en un punto dado, especialmente que el trabajo de flujo ( P 1v1) más la energía cinética (V 1 / 2 g ), debe ser igual al trabajo de flujo y la energía cinética en otro punto cualquiera más cualquier disipación de energía interna (pérdidas). En el caso del aire:

Pv = es la carga estática o presión estática. 2 V / 2g = es la carga de velocidad o presión de velocidad. Y la suma:

Presión estática + presión de velocidad = la presión total o presión dinámica Las unidades de la energía en esta ecuación son libras-pies entre libra de aire, o pueden expresarse simplemente como pies del flujo de aire considerado. Para el caso de ventiladores, la presión estática generalmente se expresa como presión manométrica (exceso de presión arriba de la atmosférica) en lugar de presión absoluta.

Procedimiento para el diseño de ductos

En cualquier sistema de calefacción, enfriamiento o ventilación con circulación mecánica, el ventilador o ventiladores deben tener la capacidad adecuada en cuanto al manejo de la cantidad correcta de aire y una presión estática igual o ligeramente mayor que la resistencia total que se tiene en el sistema de ductos. El tamaño de los ductos se escoge para las velocidades máximas de aire que puede utilizarse sin causar ruidos molestos y sin causar pérdidas excesivas de presión. Los ductos grandes reducen las pérdidas de fricción, pero la inversión y el mayor espacio deben compensar el ahorro de potencia del ventilador. Tiene que hacerse un balance económico al hacer el diseño de las instalaciones. En general debe hacerse un trazado de ductos tan directo como sea posible, evitar vueltas muy agudas y no hay que tener ductos muy desproporcionados. Para un ducto rectangular es buena práctica que la relación del lado mayor al menor sea hasta de 6 a 1 y esta relación nunca debe exceder de 10 a 1.

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Procedimiento: 1. Hacer un trazado del sistema más conveniente, colocando los diferentes ductos para obtener una distribución adecuada y facilitar su construcción. 2. De acuerdo con la carga de calefacción o enfriamiento calcule las necesidades de aire 3 (pies /min ó pcm) por cada salida de ducto, zona o división del edificio. 3. Determine el tamaño de los ductos ramales de salida empleando las velocidades apropiadas, o caídas de presión para suministrar la cantidad necesaria de aire. 4. Calcular el tamaño de cada ducto por uno de los métodos siguientes: Método de velocidad supuesta.  Método de caída de presión constante o método de igual fricción.  Método de pérdidas de presión balanceadas.  Método de recuperación estática.  5. Determinar de acuerdo con los métodos descritos en el punto anterior, el circuito que tenga la mayor resistencia por fricción. Al determinar dicho circuito no necesariamente el de mayor longitud será el que tenga mayores pérdidas. La resistencia máxima determina la presión estática que el ventilador debe entregar al aire a través de los ductos. Note que el ventilador debe suministrar una cantidad mayor de aire que la indicada en el punto 2, a fin de considerar las fugas que se tengan en el sistema de ductos (algunas veces del orden del 10 % ) y por la transferencia de calor del aire en el ducto al pasar por espacios no acondicionados.

Mé todos par a el cálculo del tamañ o del ducto 1. Método de velocidad supuesta Se supone la velocidad en cada una de las diferentes secciones del ducto, esto de acuerdo con la buena práctica, se suman las pérdidas en cada una de las partes del sistema para determinar la pérdida total. Una modificación de este método es conocida como el método de reducción de velocidad y en general sigue el procedimiento indicado, pero las velocidades supuestas son reducidas progresivamente en las diferentes secciones del ducto. La velocidad mayor se tiene a la salida del ventilador, y la velocidad en el ducto principal es disminuida después en varios ramales de salida. En general, el método de velocidades supuestas podrá efectuarse sin modificaciones solo para el trazado de sistemas de ductos relativamente simples. El control del flujo en los diferentes ramales depende sobre todo de las compuertas que se tengan instaladas. 2. Método de caída de presión constante o método de igual fricción El ducto es dimensionado de tal manera que las pérdidas de presión por pie de longitud sean constantes. Es posible que las resistencias en los ductos ramales sean esencialmente iguales a menos de que se tenga mucha diferencia en sus longitudes. Cuando se aplica este método se acostumbra a determinar la caída de presión de acuerdo con la velocidad deseada y el caudal en el ducto (Figura 6.20). Es conveniente que los ductos ramales tengan compuertas.

31


Figura 6.20: Gráfica para determinar la pérdida por fricción en ductos

32


3. Método de pérdidas de presión balanceadas Este método emplea algunos de los procedimientos de los métodos anteriores pero cada ducto ramal se diseña de tal manera que tenga la misma pérdida de presión del ventilador, a fin de tener una dependencia mínima en el uso de compuertas. Expresada en otra forma, la presión estática necesaria en el flujo para cualquier ramal es igual a la presión estática del ducto principal en el correspondiente punto de salida. Teóricamente, al emplear este sistema no se necesitan usar compuertas pero es conveniente tenerlas. 4. Método de recuperación estática La pérdida de presión del aire que fluye en un ducto es debida:  A la resistencia del flujo a la fricción,  A las pérdidas debidas a los cambios bruscos del área del ducto,  A las turbulencias e impactos asociados con cambi os de dirección del aire,  Aumento de la velocidad de la corriente del aire. Este último ocurre naturalmente cuando se disminuye el área de la sección transversal del ducto. De modo inverso, es una sección divergente o de aumento de sección, en esta disminuye la velocidad del aire y aumenta su presión. Se puede tener un aumento de 85 a 75 % de la presión que de manera ideal pueda obtenerse usando un conducto muy liso y de conicidad gradual; pero para los arreglos convencionales en ductos, los límites representativos pueden ser de 60 a 50 % . Al aumento de presión de este tipo se le llama recuperación de presión estáti ca (en plg de columna de agua) y es calculada a partir de la expresión:

 V s  2  V f  2  SPR  0.5     4005   4005   

(6.6)

Donde V s es la velocidad inicial en ft/min y V f es la velocidad final del aire en ft/min.

Gan ancias o pé rdidas en l os ductos Cuando el sistema del ducto que conduce aire para enfriamiento pasa a través de un espacio no acondicionado (caliente), su temperatura se eleva por el calor que se transmite hacia el ducto. Este calentamiento es un fenómeno complicado y depende de:  La relación de superficie-perímetro de la sección transversal,  la longitud del ducto,  la diferencia de temperaturas,  la velocidad del aire,  la radiación compuesta y de los efectos de convección sobre ambos lados del ducto,  el tipo de superficie del ducto, y  la efectividad del tipo de aislamiento. En el caso de aluminio pulido o hierro galvanizado, la baja emisividad de sus superficies a la radiación puede hacer que un ducto desnudo sea más efectivo al retardar la transferencia de calor de un ducto relativamente mal aislado como con láminas delgadas de asbesto.

33


Se tienen condiciones similares cuando un ducto con aire caliente pasa a través de un espacio frío, dando lugar a que se tenga enfriamiento en el aire del ducto. Las figuras 6.21 y 6.22 han sido preparadas para ductos con relaciones aspectos no mayores de 2 a 1.

3

Figura 6.21: Aumento o caída de temperatura en ductos (300 a 4 000 pies /min)

3

Figura 6.22: Aumento o caída de temperatura en ductos (4 000 a 32 000 pies /min)

34


Para ductos más aplanados deberán aplicarse los siguientes factores: Relación

Factor

3a1 4a1 5a1 6a1 7a1 8a1

1.10 1.18 1.26 1.36 1.47 1.50

Al calcularse los valores del coeficiente de película exterior, f fue tomado como de 1.65, con coeficientes exteriores fluctuando entre 1.7 hasta 7.2 para velocidades altas. Se aplicaron para los aislamientos las resistencias térmicas apropiadas. Los ductos aislados están cubiertos con metal desplegado de ¾ de pulgadas y yeso plástico.

Constr ucción de los ductos A partir de la terminación de la segunda guerra mundial se ha hecho más extenso el uso del aluminio en la construcción de ductos. El aluminio es ligero en peso y no ofrece dificultades de fabricación, debido a que tiene más espesor que el acero en igualdad de peso y tiende a ser más rígido. Su alto coeficiente de expansión térmica le permite ser usado donde se tengan cambios extremosos de temperaturas. En la figura 6.23 se muestran algunos tipos de juntas empleadas en la construcción de ductos. Del tipo de junta que se emplee, dependerá de las facilidades de construcción que se tenga y del calibre del metal. Este deberá ser suficientemente grueso para resistir la vibración entre refuerzos; por lo tanto, el espesor debe aumentarse al crecer el diámetro o ancho del ducto. En ductos grandes tienen que colocarse refuerzos con ángulos exteriores a intervalos suficientemente próximos para evitar posibles vibraciones.

35


Figura 6.23: Uniones típicas de ductos

En la siguiente tabla, se recomiendan algunas prácticas para construcción de ductos de aluminio. La designación de los espesores de aluminio deberán darse en fracciones decimales de pulgadas, aunque con frecuencia se usan números de calibres.

36


Espesor de lámina

Acero

Alumini o

Lado mayor (plg)

26

24

Hasta 12

24

22

13 - 24

24

22

25 - 30

22

20

31 - 40

22

20

41 - 60

20

18

18

16

61 - 90

91 y más

Conexiones de juntas transversales

Refuerzos (Angulo)

Deslizable, bolsillo o barras deslizables a centros de 7´10´´ Deslizable, bolsillo o barras deslizables a centros de 7´10´´

Ninguno

Deslizable, bolsillo 1”o barras deslizable 1” a centros de 7´10´´ Deslizable, bolsillo 1”o barras deslizable 1” a centros de 7´10´´ Ángulos de 1 ½” , bolsillo de 1½, barras deslizables de 1½” con refuerzos de 13/8” a centros 7´10´´ Ángulos de1 ½”, bolsillo de 1½”, barras deslizables de 1½” a distancia máxima de centros de 3´9” con barra de refuerzo de 1 3/8”x 1/8” Ángulos de 2”, bolsillo de 1 ½” ó barras deslizables de 1 ½” a

1”x 1” x 1/8” a 4´

Ninguno de la junta. 1”x 1” x 1/8” a 4´ de la junta. 1 ½ “ x 1 ½” x 1/8” a 4´ de la

junta. 1½” x 1½” x 1/8” a

2´ de la junta. 1½” x 1½” x 1/8” a

2´ de la junta.

distancia máxima de centros de 3´9” con barras de refuerzo de 1 3/8” x 1/8” Tabla 6.8: Calibre de lámina y refuerzos de ductos según el lado mayor

Hay que reconocer que los ductos convencionales no son a pruebas de fugas y que no todo el aire suministrado por el ventilador es entregado al espacio acondicionado. Se acostumbra sumini str ar un 10 % más de air e por el ventilador para compensar l as fugas que se tengan en los ductos que van por el exteri or del espacio acondi cionado . Hay que evitar cambios abruptos en el tamaño de los ductos para la instalación de equipos tales como calentadores y filtros. La figura 6.24 muestra algunos arreglos que se emplean dando resultados satisfactorios. Los cambios abruptos en la dirección y en otras condiciones que aumenten la resistencia causan ruidos y reducen el volumen. Deben usarse venas en codos y en algunas otras obstrucciones que modifiquen la corriente. Algunos ductos pueden tener en su interior material absorbente al sonido. El aislamiento empleado se aplica por la parte externa del ducto.

37


Figura 6.24: Arreglos y uniones de equipos para ductos

Para el dimensionamiento del sistema de ductos es necesario conocerlas velocidades recomendadas y máximas del aire en diversos puntos del sistema, considerando la utilización del edificio. La tabla 6.9 proporciona estos valores.

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Velocidades recomendadas, ft/min. Escuelas, teatros, Edificios Residencias edificios industriales públicos

Designación

Tomas de aire exterior Filtros Serpentines de calefacción Lavadoras de aire Conexión a succión Salidas de ventiladores Ductos principales

Velocidades máximas, ft/min. Escuelas, teatros, Residencias Edificios edificios industriales públicos

700

800

1000

800

900

1200

250 450

300 500

350 600

300 500

350 600

350 700

500 700 1000 - 1600

500 800 1300 - 2000

500 1000 1600 - 2400

500 900 1700

500 1400 1700 - 2800

700 - 900

1000 - 1300

1200 - 1800

800 - 1000

Ductos ramales

600

600 - 900

800 - 1000

700 - 1000

Ductos verticales

500

600 - 700

800

650 - 800

500 1000 1500 2200 1100 1600 800 1300 800 1200



1300 - 2200 1000 - 1800 1000 - 1600

Estas velocidades son para la sección total, no para el área libre neta. Tabla 6.9: Velocidades recomendadas y máximas en ductos

Es necesario conocer también las pérdidas por fricción de los diversos accesorios del sistema. La tabla 6.10 proporciona ciertos valores de algunos accesorios. Parte

Toma de aire o entrada al ventilador. Calentadores de aire o enfriadores, una a varias hileras Lavadoras de aire Filtros de aire Sistema de ductos (cálculo con longitud equivocada) Varios, pantalla, rejillas, etc. Salidas tipo tobera Pérdidas de presión estática para el sistema (ventilador) *

Gama posible de pérdidas* ( pulgada de agua ) 0.005 - 0.1 0.1 - 0.35 0.2 - 0.35 0.2 - 0.4 0.04 - 0.4 0.1 - 0.2 0.1 1.0 - 1.6 comunes

Seleccionadas de datos de fabricantes o calculadas. Tabla 6.10: Pérdidas típicas por fricción en el sistema de ductos

Debe calcularse también las longitudes equivalentes en codos, considerando las dimensiones H y W del ducto rectangular. Además, a partir de la condición: 0 < H/W < 1.5 1.5 < H/W < 3

 

R/W =1.5 R/W =0.75

y con la ayuda de la figura 6.25 puede determinarse el valor de la longitud equivalente en cada codo.

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Este cálculo puede realizarse también a partir de la expresión: Leq W



 H  0.126  2.13   W 



 0.33 RW

(6.7)

Figura 6.25: Gráfica para determinar la longitud equivalente en codos

Du ctos de retorno Los cálculos para el diseño de sistemas de ductos de retorno, por lo general se basan en el método de caída de presión constante (igual fricción). Debe conocerse que la cantidad de aire retornado y la caída de presión total en el sistema de retorno no debe exceder la presión negativa en la succión del ventilador. El sistema de retorno tiene que proyectarse con tanto cuidado como el sistema de suministro. Deben instalarse compuertas en los ramales para permitir ajustes en el flujo. Si el sistema originalmente diseñado tiene pérdidas mayores que las permitidas por el ventilador, éste deberá redimensionarse (aumentándolo) para reducir las pérdidas. Se recomienda que las velocidades en los ductos de retorno no excedan de 800 PCM.

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Cámara plena La cámara plena o también llamada retorno por pleno, es un sistema de retorno, que funciona en construcciones que cuentan con una cámara de aire ubicada entre el falso plafón y la losa. El retorno del aire se lleva a cabo mediante rejillas estratégicamente ubicadas en el falso plafón, solo que en vez de conectarse a ductos, utilizan el espacio existente entre la losa y el falso plafón para retornar al equipo integral de aire acondicionado. Es importante que en los muros de la construcción existan huecos que comuniquen las habitaciones entre sí, ubicados entre la losa y el falso plafón, para asegurar que el aire circule de manera adecuada. Es muy común verlo funcionando en una gran cantidad de instalaciones de aire acondicionado; es un sistema que cuando es bien analizado e instalado representa un ahorro significativo de materiales y mano de obra. Sin embargo, cuando no se tienen bien evaluadas las posibilidades y alternativas; representa un gasto innecesario de energía y por consecuencia, de dinero. Es muy importante que desde la etapa de proyecto, se considere que el espacio comprendido entre el plafón y la losa se encuentran los balastros de las lámparas fluorescentes y que en términos de calor significa hasta un 25% de ganancia de calor respecto al alumbrado; en otras ocasiones, se encuentran charolas eléctricas que contienen conductores eléctricos que también generan calor, es posible encontrar también tuberías que conducen fluidos calientes como vapor o agua caliente, lo cual contribuye también en la ganancia de calor en este espacio. Cuando se decide instalar un retorno por cámara plena, existen alguno o varios de los siguientes inconvenientes: 1. Ganancia de calor mayor y como consecuencia; mayor capacidad de los equipos con mayor consumo de energía. 2. Distancias muy largas entre el punto más lejano de inyección y el punto de retorno; ocasionando estratificaciones del flujo de aire; es decir, existirán zonas más fría y zonas más calientes, como consecuencia existirá una incomodidad en los usuarios debido a la ausencia en la homogeneidad de la temperatura en los espacios acondicionados. 3. Nivel de ruido más alto mientras más se acerca al punto de retorno. 4. Deficiente circulación de aire debido al desbalance de aire en cada zona acondicionada; es decir la inyección puede ser la correcta, pero el retorno es inadecuado. 5. Problemas de control de temperatura si el sensor de temperatura del termostato no es instalado en un lugar adecuado. 6. Contaminación del aire cuando existen filtraciones hacia el plafón. 7. Diseminación de olores cuando no se aíslan los baños del plafón o cuando por medio del plafón se comunican otras zonas que generan contaminación por olores. Finalmente, en un proyecto de diseño de ductos, es necesario cuantificar la cantidad de lámina que debe utilizarse. Para ello existe una gran diversidad de tablas que permiten fácilmente conocer la cantidad de lámina en cada tramo de ductería. Las tablas que se presentan a continuación, fueron diseñadas por la Subdirección General de Obras y Mantenimiento del Instituto de Seguridad y Servicio Social de los Trabajadores del Estado, ISSSTE (Figura 6.11).

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Semiperímetro

2

Kg por metro de longitud de ducto

plg

cm

26

8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 26 27 28 29 30 31 32 33 34 35 36 37 38 39 40 41 42 43 44 45 46 47 48 49 50 51 52 53 54 55 56 57 58 59 60

20 23 25 28 30 33 35 38 40 43 45 48 51 53 56 58 61 63 66 68 71 73 76 78 81 83 86 89 91 94 96 99 101 104 106 109 111 114 117 119 121 124 127 129 132 134 137 139 142 145 147 149 151

2.91 3.24 3.56 3.89 4.21 4.54 4.87 5.19 5.52 5.84 6.17 6.50 6.82 7.15 7.47

24

6.27 6.67 7.08 7.48 7.89 8.29 8.69 9.10 9.50 9.91 10.31 10.71 11.12 11.52 11.93 12.33 12.73 13.14 13.54 13.95 14.35 14.75 15.16 15.56 15.97 16.37 16.77 17.18

22

16.91 17.41 17.91 18.40 18.90 19.40 19.90 20.40 20.89 21.39 21.89 22.39 22.89 23.38 23.88 24.38 24.88 25.38 25.87 26.37 26.87 27.37 27.87 28.36 28.86 29.36 29.86 30.36 30.85 31.35

42

20

Aislamiento (m /m) 18

(1" E)

(2" E)

0.560 0.618 0.676 0.734 0.792 0.850 0.908 0.966 1.024 1.082 1.140 1.198 1.256 1.314 1.372 1.430 1.488 1.546 1.604 1.662 1.720 1.778 1.836 1.894 1.952 2.010 2.068 2.126 2.184 2.242 2.300 2.358 2.416 2.474 2.532 2.590 2.648 2.706 2.764 2.822 2.880 2.938 2.996 3.054 3.112 3.170 3.228 3.286 3.344 3.402 3.460 3.518 3.576

0.676 0.734 0.792 0.850 0.908 0.966 1.024 1.082 1.140 1.198 1.256 1.314 1.372 1.430 1.488 1.546 1.604 1.662 1.720 1.778 1.836 1.894 1.952 2.010 2.068 2.126 2.184 2.242 2.300 2.358 2.416 2.474 2.532 2.590 2.648 2.706 2.764 2.822 2.880 2.938 2.996 3.054 3.112 3.170 3.228 3.286 3.344 3.402 3.460 3.518 3.576 3.634 3.692

Unidad VI

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