AIRE ACONDICIONADO (RESUMEN HISTÓRICO) En 1902 Willis Carrier sentó las bases de la maquinaria de refrigeración moderna y al intentar aplicarla a los espacios habitados, se encontró con el problema del aumento de la humedad relativa del aire enfriado, y al estudiar como evitarlo, desarrolló el concepto de climatización de verano. Por aquella época un impresor neoyorquino tenía serias dificultades durante el proceso de impresión, que impedían el comportamiento normal del papel, obteniendo una calidad muy pobre debido a las variaciones de temperatura, calor y humedad. Carrier se puso a investigar con tenacidad para resolver el problema: diseñó una máquina específica que controlaba la humedad por medio de tubos enfriados, dando lugar a la primera unidad de refrigeración de la historia. En 1915, empujados por el éxito, Carrier y sus seis amigos reunieron 32.600 dólares y fundaron “la compañía de ingeniería Carrier”, cuyo gran objetivo era garantizar al cliente el control de la temperatura y humedad a través de la innovación tecnológica y el servicio al cliente. En 1922 Carrier lleva a cabo uno de los logros de mayor impacto en la historia de la industria: “la enfriadora centrífuga”. Este nuevo sistema de refrigeración se estrenó en 1924 en los grandes almacenes Hudson de Detroit, en los cuales se instalaron tres enfriadoras centrífugas para enfriar el sótano y posteriormente el resto de la tienda. Tal fue el éxito, que inmediatamente se instalaron este tipo de máquinas en hospitales, oficinas, aeropuertos, fábricas, hoteles y grandes almacenes. La prueba de fuego llego en 1925, cuando a la compañía Carrier se le encarga la climatización de un cine en Nueva York. En 1930, alrededor de 300 cines tenían instalado ya el sistema de aire acondicionado. A finales de 1920 propietarios de pequeñas empresas quisieron competir con las grandes distribuidoras, por lo que Carrier empezó a desarrollar máquinas pequeñas. En 1928 se fabricó un equipo de climatización doméstico que enfriaba, calentaba, limpiaba y hacia circular el aire y cuya principal aplicación era la doméstica, pero la gran depresión en los Estados Unidos puso punto final al aire acondicionado en los hogares. Hasta después de la segunda guerra mundial las ventas de equipos domésticos no empezaron a tener importancia en empresas y hogares. AIRE ACONDICIONADO El aire acondicionado es el proceso que se considera más completo de tratamiento del aire ambiente de los locales habitados; consiste en regular las condiciones en cuanto a temperatura (calefacción o refrigeración) humedad, limpieza (renovación, filtrado) y el movimiento del aire adentro de los locales. Si no se trata la humedad, sino solamente la temperatura, podría llamarse climatización. Al principio, las instalaciones de aire acondicionado se destinaban más bien a la mejora de procesos y materiales que al confort de la gente. Por esta razón, el crecimiento del aire acondicionado industrial ha sido constante, pero no tan espectacular como el del aire acondicionado para las personas. Hoy día es tan común el aire acondicionado en los hogares para procurarse salud y confort. AIRE ACONDICIONADO INDUSTRIAL Donde se utiliza más frecuentemente el aire acondicionado es en los laboratorios, imprentas, talleres de mecánica de precisión, en la fabricación de productos textiles, acero, productos farmacéuticos, productos fotográficos, supermercados, plantas químicas, petroquímicas, mataderos, fábricas de helados entre muchos otros. Laboratorios: el objeto del acondicionamiento del aire varía de un laboratorio a otro. En unos puede ser proporcionar condiciones de confort al personal de manera que su trabajo y mediciones sean precisos, mientras que en otros, la temperatura puede mantenerse a -60ºC para estudiar el comportamiento de una determinada máquina a bajas temperaturas. El acondicionamiento de otros laboratorios puede destinarse a ayudar a los médicos y biólogos a estudiar los efectos de la temperatura y humedad sobre los seres vivientes. Imprentas: el control de la humedad es una de las razones primordiales para la utilización del aire acondicionado en las imprentas. Mecánica de precisión: el aire acondicionado realiza tres servicios en la fabricación de piezas metálicas de precisión: conserva la temperatura uniforme, con lo que el metal no se dilata ni se contrae; mantiene una humedad tal que no hay peligro de oxidación de los metales; y filtra el aire para disminuir el mínimo polvo. Fábricas textiles: lo mismo que el papel, los tejidos son sensibles a los cambios de temperatura. Los hilados en las modernas plantas textiles se mueven a enormes velocidades, y los cambios en la flexibilidad y resistencia de la tela o la generación de la electricidad estática deben evitarse. Plantas siderúrgicas: desecando el aire antes de que entre en el horno alto, se mejora la calidad del acero y se reduce la cantidad de coque necesario por tonelada de acero. Productos farmacéuticos: las fabricas de productos farmacéuticos necesitan aire acondicionado para eliminar las bacterias aéreas y el polvo, y para conservar los productos. Productos fotográficos: la industria de productos fotográficos hace gran uso de la refrigeración. Los materiales fotográficos recién fabricados se deterioran rápidamente si se exponen a altas temperaturas y humedades, y otros materiales que se usan en el revestimiento de las películas necesitan un cuidadoso control de la temperatura. AIRE ACONDICIONADO PARA EL CONFORT El aire acondicionado para las necesidades humanas, dejando en segundo término a los materiales o los procesos de fabricación, se llama aire acondicionado para el confort. Su crecimiento ha sido enorme. Algunas de las principales aplicaciones se describen a continuación. Residencias: en el hogar los aires acondicionados hoy día han aumentado enormemente. La gente que disfruta del aire acondicionado en los lugares de trabajo, en las tiendas mientras compran, o en los lugares de diversión, pide el mismo confort en sus hogares. Locales públicos: en los restaurantes, teatros, clubs nocturnos y otros lugares de diversión, el aire acondicionado es esencial. El sistema de aire acondicionado que se utilice en estos locales debe satisfacer las exigencias impuestas por las grandes variaciones de carga en el transcurso del día, las grandes pérdidas por humedad de las personas y de los alimentos, y por filtración y ventilación. Almacenes: el aire acondicionado aumenta la clientela y el rendimiento de los empleados, hace que las visitas de los clientes sean más largas y, por consiguiente, aumenta las ventas de los almacenes. Grandes edificios: un edificio para oficinas, apartamento, hotel u hospital que se construya hoy sin aire acondicionado, se considera anticuado aun antes de ser ocupado. Cuando basta una diferencia de ocupación del 10% para pasar de un beneficio a una pérdida, la instalación del aire acondicionado tiene justificación económica. Muchas iglesias tienen ahora aire acondicionado, si bien es difícil establecer una relación entre el gasto de dinero y la mayor atención de los fieles a los actos religiosos. Transportes: los sistemas de aire acondicionado se han hecho normales en los vagones de ferrocarril y en los autobuses. Todos los barcos modernos de pasajeros tienen aire acondicionado, y el acondicionamiento de aire en los automóviles se hizo muy popular en los últimos años. También los aviones necesitan aire acondicionado. Los aviones comerciales necesitan refrigeración artificial durante el tiempo que están en los aeropuertos y mientras se elevan. Los aviones militares necesitan refrigeración a causas de las altas temperaturas que alcanzan sus superficies cuando se mueven a grandes velocidades. Lugares de trabajo: aunque las instalaciones de aire acondicionado hayan tardado en establecerse en los talleres, salas de proyectos, centrales telefónicas, y otros lugares donde trabajan grupos de personas, los directores de la mayor parte de las empresas están convencidos actualmente de que el costo del aire acondicionado se recupera por el aumento de la producción y la mejora de la calidad del trabajo de sus empleados. PSICROMETRIA La psicrometría estudia las propiedades de las mezclas de aire y vapor de agua. La psicrometría es importante porque el aire atmosférico no está completamente seco, sino que es una mezcla de aire y vapor de agua. Todos los procesos de acondicionamiento de aire deben tener en cuenta la presencia del vapor de agua en el aire. La psicrometría es el fundamento de los capítulos que siguen sobre entalpia potencial, torres de enfriamiento y acondicionamiento de aire. Las cartas psicométricas o diagrama de humedad son grafías vapor de agua-aire que relacionan la temperatura de bulbo seco del agua liquida con la temperatura de bulbo húmedo, las libras de agua por libras de aire seco, el calor sensible de la mezcla, la entalpia de saturación, la humedad relativa. Tiene que tener la grafica para poder sacar la información. O con las ecuaciones de la temperatura con todas las demás variables. En la siguiente figura se representa el diagrama de humedad para la presión de 1 atm. El saturador adiabático: es un dispositivo de dos entradas y una salida a través del cual circula aire húmedo. Se supone que el dispositivo opera en estado estacionario y sin intercambio de calor apreciable con su entorno. La instalación consiste en un conducto aislado a través del cual circula, en proceso continuo, agua que cae pulverizada en forma de lluvia.la lluvia de agua satura el aire. Algún tiempo después del comienzo de la operación, cuando se ha establecido el equilibrio, el agua sale de la cámara a la misma temperatura a la que entra. La temperatura del aire que sale del saturador adiabático se considera igual a la temperatura del bulbo húmedo del aire. El proceso de saturación adiabática es un proceso de temperatura de bulbo húmedo constante. Si los puntos de estado del aire en un proceso de saturación adiabática se representan gráficamente sobre una carta psicométrica y se unen los puntos por una línea, resulta una línea de temperatura de bulbo húmedo constante. Si el aire entra en el saturador adiabático en el estado representado por cualquier punto de esta línea, al final resulta la misma temperatura del agua del sumidero. Proceso psicrometrico: los procesos termodinámicos realizados por el aire pueden representarse gráficamente en una carta psicrométrica para una visión rápida. La carta se utiliza también para determinar en los procesos las variaciones de las propiedades significativas tales como la temperatura, la relación de humedad y la entalpía. Algunos de los procesos fundamentales en los procesos psicrométricos son: 1) Calentamiento o enfriamiento sensibles. 2) Humedecimiento adiabático o no adiabático. 3) Enfriamiento y desecado. 4) Desecado químico. 5) Mezclado. 1) El calentamiento o enfriamiento sensibles: consiste en una variación de la temperatura de bulbo seco sin que se altere la relación de humedad. El calor sensible se define como sigue: calor sensible= Cp. (variación de la temperatura de bulbo seco). Distinto del calor latente, que es el calor absorbido o cedido al evaporar o condensar la humedad del aire sin variación de la temperatura. 2) El humedecimiento, representado en la fig. 16-13b, puede ser adiabático y entonces es un proceso a temperatura de bulbo húmedo constante, 1-2, como ocurriría con un lluvia de agua que después de recogida vuelve a caer. Si el agua de lluvia se calentase externamente, resultaría el proceso 1-3 3) El enfriamiento y desecado: es un proceso con una reducción tanto de la temperatura de bulbo seco como de la relación de humedad. Un serpentín de enfriamiento y desecado realiza este proceso. La capacidad de refrigeración en ton. Durante un proceso de enfriamiento y desecado viene dada por la formula: Capacidad, ton= (h1-h2) [caudal de aire (kg aire seco/min) 50,4cal/ (min) (ton) 4) El secado químico: es un proceso por el cual el vapor de agua del aire es absorbido por una sustancia higroscópica. Como este proceso, si se realiza térmicamente aislado, es esencialmente a entalpía constante y la relación de humedad disminuye, la temperatura del aire debe aumentar. 5) La mezcla de dos corrientes de aire es un proceso corriente en el acondicionamiento de aire. El punto de la carta psicrométrica que representa el estado después de la mezcla de dos masas de aire húmedo esta sobre la línea que une los puntos representativos de los estados iníciales de las masas de aire. COMPONENTES DE UN SISTEMA Serpentines: los serpentines para acondicionamiento del aire sirven para enfriar y desecar el aire. La mayoría de los serpentines para acondicionamiento de aire formados por tubos con aletas en su exterior. El refrigerante circula por el interior de los tubos, y el aire circula por el exterior entre los tubos y las aletas. Cuando el refrigerante se evapora en los tubos, el serpentín se llama de <<expansión directa>>. Un refrigerante secundario, tal como agua fría, puede también llevar el calor fuera del serpentín. Los serpentines de agua fría, son corrientes en los sistemas de acondicionamiento de aire de los grandes edificios. En los sistemas de agua fría, un evaporador en la sala de máquinas enfría el agua, la cual circula después por tuberías hasta los serpentines de agua fría situados en diversos lugares del edificio. Construcción de serpentines: deben definirse en primer lugar varios términos que expresan las características de construcción de los serpentines. La superficie de entrada del serpentín es la sección recta de la corriente de aire inmediatamente antes de entrar en el serpentín. La velocidad de entrada del aire es el caudal en volumen de aire dividido por la superficie de entrada. Lavadora de aire: pueden agruparse en varias categorías. 1) Rociadores adiabáticos de agua para enfriamiento evaporativo 2) rociadores de agua fría, que pueden desecar y enfriar simultáneamente; 3) serpentines rociados; 4) rociadores de líquido higroscópico. 1) Los lavadores adiabáticos de aire tienen utilidad limitada en las aplicaciones de enfriamiento del aire. Se usan principalmente en regiones geográficas áridas donde la temperatura de bulbo húmedo es baja. Los lavadores adiabáticos de aire proporcionan enfriamiento a bajo costo para instalaciones tales como invernaderos, donde el control preciso de temperatura no es esencial. 2) Rociadores de agua fría: un lavador de aire de agua fría consta del mismo equipo con la misma disposición del lavador de la fig.20-1, con la excepción de que el agua procedente de la bomba se enfría antes de que vuelva a las toberas del rociado. Los lavadores de aire con agua fría tienen su mayor aplicación en las instalaciones de acondicionamiento de aire de grandes industrias tales como plantas textiles e imprentas. El lavador de aire es un filtro razonablemente bueno de aire, puede enfriar el aire por enfriamiento evaporativo, con un costo muy bajo, cuando las condiciones son favorables, y puede calentar y humedecer junto con los serpentines de calefacción durante el invierno. 3) Serpentines rociados: una modificación del lavador de aire consiste en combinar un rociado de agua que circula en circuito cerrado con un serpentín de enfriamiento. Las funciones de los rociadores son: 1) separar del aire las materias extrañas 2) lavar la superficie del serpentín para mantenerla limpia, y 3) aumentar la transmisión de calor sensible del serpentín por unidad de tiempo. 4) Rociadores de liquido higroscópico: otro tipo de aparato rociador para enfriamiento y desecación es el que usa un rocío higroscópico. Los rociadores higroscópicos se usan a veces en aplicaciones a bajas temperaturas para prevenir la formación de escarcha en los serpentines de refrigeración. Controladores de humedad: un control de humedad consiste en un elemento sensible que se modifica con la humedad, tal como un pelo, el cual envía sus impulsos a un sistema de acondicionamiento de aire en el que se aumenta el recalentamiento, o desvía más aire en el serpentín en un dispositivo con regulador de tiro, o actúa sobre algún otro medio de separación de la humedad. Torres de enfriamiento: una torre de enfriamiento enfría el agua por contacto con el aire y por evaporación de una parte del agua. El aire puede circular por circulación natural o por ventiladores que soplan o aspiran el aire a través de la torre. El funcionamiento de una torre de enfriamiento se expresa comúnmente por los valores de <<la escala>> y de <<la aproximación>> como esta representado en la fig.18-3, la escala es la reducción de temperatura del agua en la torre de enfriamiento, mientras que la aproximación es la diferencia entre la temperatura de bulbo húmedo del aire a la entrada y la temperatura del agua a la salida.