MARCO TEÓRICO

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MARCO TEÓRICO DEFINICIONES Aire acondicionado. Es la creación y mantenimiento de una atmósfera artificial que tenga las condiciones de temperatura, humedad relativa, circulación del aire y pureza del mismo, que produzca los efectos deseados para generar confort [1] Un aparato de aire acondicionado sirve, tal y como indica su nombre, para el acondicionamiento del aire. Éste es el proceso más completo de tratamiento del ambiente en un local cerrado y consiste en regular la temperatura, ya sea calefacción o refrigeración, el grado de humedad, la renovación o circulación del aire y su limpieza, es decir, su filtrado o purificación. [2]

Refrigeración. La refrigeración es el proceso por el cual se elimina el calor de un lugar donde no es deseado y se traslada a otro donde resulta indiferente. [3]

Es la rama de la ciencia que trata del proceso de reducir y mas baja que su alrededor, la temperatura de un espacio dado o un producto. Ya que el calor absorbido se transfiere a otro cuerpo, es evidente que el proceso de refrigeración es opuesto al de calefacción. [4] Calor. Es la forma o manifestación de energía propia de los movimientos a que están sujetas las moléculas que constituyen los cuerpos. Al calentarse un cuerpo aumenta la energía cinética de las moléculas, produciéndose choques más o menos violentos. Las energías térmicas acumuladas en un cuerpo constituyen lo que se conoce como cantidad de calor.

Temperatura. Es una magnitud que depende del estado calorífico de los cuerpos. Diremos que cuando agregamos calor a un cuerpo aumentamos su temperatura, y cuando le quitamos calor (enfriamos) disminuimos su temperatura.

Calor sensible. Para provocar el aumento o disminución de la temperatura de una sustancia a presión constante debemos suministrarle o sustraerle una cierta cantidad de calor, que la denominaremos calor sensible.

Calor latente. Para pasar de un estado físico a otro de una sustancia sin variación de su temperatura. Solido a liquido, liquido a vapor y viceversa, se le debe adicionar o sustraer una cierta cantidad de calor, que la denominaremos calor latente.

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Transferencia de calor. De acuerdo con el segundo principio de la termodinámica enunciado por Clausius, el calor fluye espontáneamente siempre de una fuente de mayor temperatura a una de menor temperatura hasta que ambas se igualen. Existe por lo tanto un flujo de calor desde los puntos de mayor temperatura a los de menor temperatura, según sea la temperatura interior respecto de la exterior, diremos si hay pérdidas o ganancias de calor en el local. La transferencia se puede dar ya sea por convección (forzada o natural), conducción o radiación. [5] La transferencia de calor por convección se expresa con la Ley del Enfriamiento de Newton:

Donde es el coeficiente de convección (ó coeficiente de película), es el área del cuerpo en contacto con el fluido, es la temperatura en la superficie del cuerpo y es la temperatura del fluido lejos del cuerpo.[6] La conducción térmica está determinada por la ley de Fourier. Establece que la tasa de transferencia de calor por conducción en una dirección dada, es proporcional al área normal a la dirección del flujo de calor y al gradiente de temperatura en esa dirección. Para un flujo unidimensional de calor se tiene:

Donde:

Es la tasa de flujo de calor que atraviesa el área A en la dirección x (o ) es una constante de proporcionalidad llamada conductividad térmica Es la temperatura. El tiempo. [7] La cantidad de energía radiante emitida o calor radiado viene dada por la Ley de StefanBoltzmann, de acuerdo con esta ley dicho calor radiado es proporcional a su temperatura absoluta elevada a la cuarta potencia:

Donde    

P es la potencia radiada. α es un coeficiente que depende de la naturaleza del cuerpo, α = 1 para un cuerpo negro perfecto. S es el área de la superficie que radia. σ es la constante de Stefan-Boltzmann con un valor de 5,67 × 10-8 W/m²K4

4



T es la temperatura absoluta [8]

Temperatura de bulbo seco (TBS). Es la temperatura indicada en un termómetro común, es la temperatura sensible. Indica el calor sensible de aire y no da ningún indicio del contenido del calor latente.

Temperatura de bulbo húmedo (TBH). Es la temperatura que da un termómetro bajo sombra, con el bulbo envuelto en una mecha de algodón húmedo bajo una corriente de aire. La corriente de aire se produce mediante un pequeño ventilador o poniendo el termómetro en un molinete y haciéndolo girar. Al evaporarse el agua, absorbe calor rebajando la temperatura, efecto que reflejará el termómetro. Cuanto menor sea la humedad relativa del ambiente, más rápidamente se evaporará el agua que empapa el paño. Este tipo de medición se utiliza para dar una idea de la sensación térmica, o en los psicrómetros para calcular la humedad relativa y la temperatura del punto de rocío. [5]

Carga térmica Es la cantidad de calor que debe retirarse del espacio a refrigerar, para reducir o mantener la temperatura deseada. La carga térmica es la suma del calor que se fuga al espacio refrigerado por medio de las paredes, rendijas, ranuras, etc., más el calor que produce algún producto por refrigerar, motor eléctrico, alumbrado, personas, etc. [4] Cargas exteriores: carga a través de techos, paredes y suelos; carga a través de superficies acristaladas y ventanales; carga por ventilación y por infiltración. Cargas interiores: carga por ocupantes, por iluminación, debida a maquinas y motores, a procesos industriales, a la propia instalación y debida a paso de conductos.

Refrigerante En cualquier proceso de refrigeración, el cuerpo empleado como absorbente de calor se llama agente de refrigeración o refrigerante. Los procesos de refrigeración se clasifican el sensibles y latentes. El proceso es sensible cuando la temperatura del refrigerante varía al absorber el calor. Es latente cuando la temperatura del refrigerante, al absorber el calor, permanece constante y causa cambio de estado. En los dos procesos, la temperatura del refrigerante es menor que la del espacio a refrigerar. [4]

Ductos Los ductos para aire acondicionado son, paneles rígidos de lana de vidrio, aglomerada con resinas termoenduresibles, están revestidas en una de sus caras con un aluminio con hilos de vidrio, que actúan como barrera de vapor, y le da la rigidez al conducto, en su parte interna esta recubierto con un velo de vidrio para permitir grandes velocidades de aire en los conductos. Los ductos de aire son los elementos principales de una instalación central de aire acondicionado, sus propiedades determinan en gran parte la calidad de la instalación del sistema de aire, es decir que juegan un papel fundamental del aprovechamiento energético y el comportamiento acústico.[10]

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ANTECEDENTES HISTORICOS En la antigüedad, los egipcios ya utilizaban sistemas y métodos para reducir el calor. Se utilizaba principalmente en el palacio del faraón, cuyas paredes estaban formadas por enormes bloques de piedra, con un peso superior a mil toneladas. Durante la noche, tres mil esclavos desmantelaban las paredes y acarreaban las piedras al Desierto del Sahara. Como el clima desértico es extremoso y la temperatura disminuye a niveles muy bajos durante las horas nocturnas, las piedras se enfriaban notablemente. Justo antes de que amaneciera, los esclavos acarreaban de regreso las piedras al palacio y volvían a colocarlas en su sitio. Se supone que el faraón disfrutaba de temperaturas alrededor de los 26° Celsius, mientras que afuera el calor subía hasta casi el doble. En 1842, Lord Kelvin inventó el principio del aire acondicionado. Con el objetivo de conseguir un ambiente agradable y sano, el científico creó un circuito frigorífico hermético basado en la absorción del calor a través de un gas refrigerante. En 1902, el estadounidense Willis Haviland Carrier sentó las bases de la refrigeración moderna y, al encontrarse con los problemas de la excesiva humidificación del aire enfriado, las del aire acondicionado, desarrollando el concepto de climatización de verano. Aunque Willis Haviland Carrier es reconocido como el “padre del aire acondicionado”, el término “aire acondicionado” fue utilizado por primera vez por el ingeniero Stuart H. Cramer, en la patente de un dispositivo que enviaba vapor de agua al aire en las plantas textiles para acondicionar el hilo. En 1915, entusiasmados por el éxito, Carrier y seis amigos ingenieros reunieron 32,600 dólares para formar la Compañía de Ingeniería Carrier, dedicada a la innovación tecnológica de su único producto, el aire acondicionado. En 1921, Willis Haviland Carrier patentó la Máquina de Refrigeración Centrífuga. También conocida como enfriadora centrífuga o refrigerante centrifugado, fue el primer método para acondicionar el aire en grandes espacios. En 1928, Willis Haviland Carrier desarrolló el primer equipo que enfriaba, calentaba, limpiaba y hacía circular el aire para casas y departamentos, pero la Gran Depresión en los Estados Unidos puso punto final al aire acondicionado en los hogares. Las ventas de aparatos para uso residencial no empezaron hasta después de la Segunda Guerra Mundial. A partir de entonces, el confort del aire acondicionado se extendió a todo el mundo. El aire acondicionado juega un rol importante en la medicina moderna, desde sus aplicaciones en el cuidado de bebés y las salas de cirugía hasta sus usos en los laboratorios de investigación. Sin el control exacto de temperatura y humedad, los microprocesadores, circuitos integrados y la electrónica de alta tecnología no podrían ser producidos. Los centros computacionales dejarían de funcionar. Muchos procesos de fabricación precisa no serían posibles. El vuelo de aviones y de naves espaciales sería solo un sueño. Minerales valiosos no podrían ser extraídos desde la profundidad de la tierra y los arquitectos no podrían haber diseñado los enormes edificios que han cambiado la cara de las ciudades más grandes del mundo. [2]

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DESARROLLO HOJA DE CÁLCULO DE LA CARGA DEL SALÓN I-3. Dirección

Cantidad (m^2)

Factor

Calor (Btu/hr)

A. Pared exterior Este

23.4

96

2246.78

Norte

19.215 47.5665

786 56

3574 2652.52

4.747

460

2183.85

58.149

146

8489.75

B. Pared Interior

C. Ventanas D. Techo E. Piso 0 F. Aire exterior sensible 675 G. Calor sensible generado por personas 8100 H. Calor sensible generado por aparatos 10572.5 Calor sensible total 42871.25 I. Aire exterior latente 0 J. Calor latente generado por personas 6750 K. Calor latente generado por aparatos 0 Calor latente total 34377.547 Calor total 77248.797

Cálculo de calor sensible y latente del aire. 1. Ventilación No. de personas * PCM por persona = PCM totales

2. Infiltración Volumen total (m^3):

7

Calor sensible exterior PCM total * fs * Δt = Qs

Calor latente exterior PCM total * 0.7 * ΔWs (Granos de vapor/ Lbm de aire seco) = Ql

Cálculo de calor sensible y latente que generan las personas (Btu/hr) Actividad Sentados en reposo Total

Cantidad 45

Factor 180

Qs 8100

Factor 150

8100

Ql 6750 6750

Cálculo de calor sensible y latente que generan los aparatos. Lámparas y Aparatos Lámparas Fluorecentes Computadoras Portátiles Proyector de Acetatos Proyector Total

Cantidad

Factor

Qs

Factor

Ql

480 W

4.25

2040

0

0

2250 W

3.41

7679.25

0

0

75 W

3.41

255.475

0

0

175 W

3.41

597.275 10572.5

0

0 0

Para el cálculo de Salón I-3 Calor total = 77248.797 + 10572.5 = 87820.8 Btu/hora

>>7.3184 Toneladas de refrigeración

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HOJA DE CÁLCULO DE LA CARGA TÉRMICA DEL LABORATORIO. Dirección

Cantidad (m^2)

Factor

Calor (Btu/hr)

A. Pared exterior Área de pared Lateral exterior

11.9925 19.215

96 96

1098.48 1894.64

Norte Lateral interior

15.174 19.215

56 16

849.73 307.44

4.425

460

2035.5

31.392

146

4576.005

B. Pared Interior

C. Ventanas D. Techo E. Piso 0 F. Aire exterior sensible 225 G. Calor sensible generado por personas 2700 H. Calor sensible generado por aparatos 2250 Calor sensible total 24804.915 I. Aire exterior latente 0 J. Calor latente generado por personas 2250 K. Calor latente generado por aparatos 0 Calor latente total 11459.1825 Calor total 36264.0975

Cálculo de calor sensible y latente del aire. 1. Ventilación No. de personas * PCM por persona = PCM totales

2. Infiltración Volumen total (m^3):

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Calor sensible exterior PCM total * fs * Δt = Qs

Calor latente exterior PCM total * 0.7 * ΔWs (Granos de vapor/ Lbm de aire seco) = Ql

Cálculo de calor sensible y latente que generan las personas (Btu/hr) Actividad Sentados en reposo Total

Cantidad 15

Factor 180

Qs 2700

Factor 150

2700

Ql 2250 2250

Cálculo de calor sensible y latente que generan los aparatos (Btu/hr). Lámparas y Cantidad Aparatos Lámparas 240 W Fluorecentes Computadoras 1800 W Portátiles Total

Factor

Qs

Factor

Ql

4.25

1020

0

0

3.41

5115

0

0

6135

0

Para el cálculo de Laboratorio Calor total = 36264.0975 +6135 = 42,399.1 Btu/h

>> 3.5332 Toneladas de refrigeración

Calor total en (Btu/hora) calculada: QT = 87,820.8 + 42,399.1 = 130,220 Btu/h

>>Toneladas de Refrigeración = 10.8717

T.R.

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CALCULO DE DUCTOS. Con el

̇

obtenido se procede con la selección del equipo.

En el manual de Carrier elegimos el equipo que satisface la carga térmica, este es:

Se instalarán 8 difusores, por lo tanto de 562.5 p.c.m. cada uno. La velocidad óptima de diseño se considera a ⁄ En el ducto principal: ⁄

478

⁄

Los conductos se fabricarán con una relación entre sus lados de 6:1

Por lo tanto si

Sabiendo que √

√

Entonces con la velocidad y el diámetro equivalente puede ser determinado el factor de fricción del ducto, que será aplicado para cada una de las secciones. (Los datos del factor de fricción así como de los diámetros equivalentes serán tomados de la figura 7.2).

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⁄ Entonces de la tabla 7.2 y sabiendo que

Podemos obtener los valores geométricos de cada una de las secciones, estos se expresarán en la tabla siguiente. Tramo

Q (p.c.m.)

A-B B-C C-D D-E E-F F-G G-H

2450 2100 1750 1400 1050 700 350

ff (pulg H2O/100ft) 0.08 0.08 0.08 0.08 0.08 0.08 0.08

Deq (pulg)

Área (pulg2)

H (pulg)

W (pulg)

20 19.2 17.5 16.5 14.5 12.3 9.6

314.1592 289.5291 240.5281 213.8246 165.1299 118.8228 72.3822

7.23 6.94 6.33 5.96 5.24 4.45 3.47

43.41 41.64 37.98 35.76 31.44 26.7 20.82

CALCULO DE LA PRESIÓN ESTÁTICA MÁXIMA. Se haya por inspección que la ruta crítica se encuentra desde el ventilador (V) hasta el difusor (H). Para el cálculo de la presión estática máxima de sistema debemos conocer las pérdidas en fricción de cada codo o accesorio que las produzca dentro del sistema. Para los codos encontramos la longitud equivalente mediante la fórmula: ( )

( Y considerando:

Codo X Y Z

H (pulg) 7.64 7.64 3.47

) y

W (pulg) 45.86 45.86 20.82

H/W

R/W

L/W

0.1665 0.1665 0.1666

1.5 1.5 1.5

3.303 3.303 3.303

Leq (pulg) 151.47 151.47 68.76

Por lo tanto la longitud equivalente de los 3 codos es:

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Entonces la Longitud total del ducto es: [

]

[

]

Sabemos que

Entonces las pérdidas en ducto sería:

De la tabla 7.10 sobre pérdidas típicas por fricción, encontramos las pérdidas en los accesorios. Para nuestro sistema, dichas pérdidas se encuentran en la siguiente tabla.

Accesorio Entrada al ventilador Serpentín frío Filtro de aire Rejilla de salida Ductería

ff (pulg H2O) 0.10 0.35 0.40 0.20 0.093

Por lo tanto la suma de pérdidas por toda la tubería es:

“En las especificaciones del equipo en el manual de Carrier se establece que el equipo trabaja en un rango de 0.2 a 2 pulg H2O, por lo tanto el equipo es capaz de manejar el volumen de aire utilizado en el cálculo.”

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CALCULO DE LA CANTIDAD DE LÁMINA. Mediante la tabla 7.11 se calculan los factores de lámina y aislante mismos que se calculan en la tabla siguiente:

Tramo

V-A A-B B-C C-D D-E E-F F-G G-H

SemiCalibre Longitud Factor Lamina Factor Aislante perímetro (pulg) (m) de (Kg) aislante 2” (pulg) lámina (m2/m) (m2) (Kg/m) 53.5 22 5.84 28.11 164.16 3.31 19.33 50.64 22 2.4 26.69 64.05 3.15 7.56 48.58 22 2.4 25.66 61.58 3.03 7.27 44.31 22 5.12 23.53 120.47 2.78 14.23 41.72 22 2.4 22.25 53.4 2.63 6.31 36.68 22 2.4 19.74 47.37 2.34 5.61 31.15 22 2.4 16.98 40.75 2.02 4.84 24.29 24 2.4 10.82 25.96 1.62 3.88

Por lo tanto se necesitan aproximadamente 577.74 Kg de lámina así como 69.03 m2 de aislante de 2” de espesor para los ductos de aire acondicionado en la realización del proyecto.

CONDUCTOS DE RETORNO. Para el área de laboratorio se prescindirá de un conducto de retorno debido a que los gases contaminantes emanados durante el proceso de soldadura y fundición son dañinos para la salud de los que habiten el recinto. Por otra parte el aula I-3 sí contará con un conducto de retorno. Las consideraciones de diseño establecen que por cada 4 difusores exista un conducto de retorno o extractor por lo tanto se procede el cálculo. Se conoce:

Por lo tanto de la tabla 7.2:

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Con esta Área determinamos H y W: √

Se tienen 3 codos, por lo tanto se calculan las longitudes equivalentes mediante la Ec.2) y enseguida las pérdidas:

Codo

H (pulg) 3.47 3.47 3.47

X’ Y’ Z’

W (pulg) 20.83 20.83 20.83

H/W

R/W

L/W

0.1666 0.1666 0.1666

1.5 1.5 1.5

3.303 3.303 3.303

Leq (pulg) 68.76 68.76 68.76

Por lo tanto: (

)

Sabiendo que:

Las pérdidas son mínimas y aunadas a las pérdidas primarias se concluye que el equipo si satisface las características de succión para los ductos de retorno o extracción.

CALCULO DE CANTIDAD DE LÁMINA DE TUBERÍA DE SUCCIÓN. Ya que el semi-perímetro es el mismo en toda la tubería de retorno se considera solo un tramo.

Tramo

V-I

SemiCalibre Longitud Factor Lamina Factor Aislante perímetro (pulg) (m) de (Kg) aislante 2” (pulg) lámina (m2/m) (m2) (Kg/m) 24.3 24 3.4 10.82 36.78 1.62 5.50

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Por lo tanto se necesitan aproximadamente 36.78 Kg de lámina así como 5.50 m2 de aislante de 2” de espesor para los ductos de retorno o extracción en la realización del proyecto.

CÁLCULO DE EXTRACTOR. A partir de los factores de renovación para fundiciones son 30 x hr. Calculando el volumen: Analizando el catálogo se observa que se necesita un extractor helicocentrífugo en línea TD4000/355 5TD-4000/355 con una velocidad máxima de 1690 rpm y una potencia de 464, una tensión MF-120 con 44 dB de presión sonora y 19 kg de peso.

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CONCLUSIÓN

Los sistemas de refrigeración hoy en día son muy importantes debido a las grandes aplicaciones que tienen cada una de ellas. En el trabajo presente se incluyen los cálculos de carga térmica que prácticamente son el alma del curso de refrigeración y aire acondicionado; se toman en cuenta los factores de cada una de las variables del sistema de las cuales dependen los materiales, la selección de equipo, accesorios así como el diseño del mismo. En el curso se nos fueron dadas las herramientas necesarias para realizar los cálculos pertinentes para poder aplicarlos en la industria de manera efectiva y aplicando el uso de software. Gracias al curso otorgado pudimos realizar estés proyecto, las herramientas utilizadas en su realización fuer todas obtenidas durante el curso el cual nos dejo con un buen sabor de boca al ser un curso muy didáctico y provechoso, dada la gran aplicación en la industria y en la vida profesional. Le agradecemos Doctor Carlos Ríos Rojas por compartir una vez más todo el conocimiento que usted posee a una generación más de Ingenieros Mecánicos, le agradecemos por todo no solo a lo largo de este curso sino también por los demás que en algún momento tuvimos el gusto de compartir. De parte de todos los integrantes de este equipo agradecemos por toda el conocimiento compartido.

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BIBLIOGRAFÍA

[1]http://www.fiberglasscolombia.com/admin/assetmanager/images/notas/aire/NTAA44.pdf [2] http://www.elaireacondicionado.com/articulos/historia_aire_acondicionado.html [3] William C. Whitman, William M. Johnson; Tecnología de la refrigeración y aire acondicionado; Editorial Paraninfo Thomson learning.; pag.3 [4] Eduardo Hernández Goribar; Fundamentos de aire acondicionado y refrigeración; Edit. Limusa; año 2005; pág. 227 [5] Víctor Santiago Díaz y Raúl Oscar Barreneche; Acondicionamiento térmico de edificios; Edit. Nobuko; año 2005, págs. 9, 10, 15, 16,17. [6] http://es.wikipedia.org/wiki/Convecci%C3%B3n [7] http://es.wikipedia.org/wiki/Conducci%C3%B3n_de_calor [8] http://es.wikipedia.org/wiki/Radiaci%C3%B3n [9] José Manuel Pinazo Ojer; Manual de climatización, tomo 2; Edit. De la Universidad Politécnica de Valencia; pág. 101-102. [10] http://www.refrigeracionaireacondicionado.com/accesorios/tipos-ductos-para-aireacondicionado.html

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ANEXOS

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