uv-ingenieria mecanica electrica - Repositorio Institucional de la

Universidad Veracruzana
Facultad de Ingeniería
Campus Coatzacoalcos
“CALCULO DE LA CARGA TERMICA DE REFRIGERACION DE
LAS SECCIONES 1, 2 Y 3 DEL AEROPUERTO DE
MINATITLAN S.A. DE C.V.”
TESIS
QUE PARA OBTENER EL TÍTULO DE:
INGENIERO MECÁNICO ELECTRIC0
PRESENTA:
OSCAR RIVEROLL FERNANDEZ
COATZACOALCOS VER, NOVIEMBRE 2010
INDICE
INTRODUCCION
1
JUSTIFICACION
5
OBJETIVO
6
UNIDAD l
GENERALIDADES
1.1 Historia del aire acondicionado
7
1.2 Concepto de aire acondicionado
10
1.3 Importancia del aire acondicionado
11
1.4 Descripción del aeropuerto de Minatitlán S.A. de C.V.
13
1.5 Conceptos fundamentales
14
UNIDAD ll
CONDICIONES DE DISEÑO
2.1 Análisis climatológico de la región
22
2.2 Condiciones de Minatitlán Ver
23
2.3 Análisis del mes y hora más calurosa
25
2.4 Condiciones de diseño exterior
26
2.5 Condiciones de diseño interior
28
2.6 Temperatura de diseño o diferencial de temperaturas
29
UNIDAD lll
BALANCE TERMICO
3.1 Balance térmico
32
3.2 Calculo de cargas térmicas por transmisión a través de barreras
33
3.3 Carga térmica por efecto solar
46
3.4 Carga térmica ocasionado por infiltraciones del aire exterior
57
3.5 Carga térmica por concepto de alumbrado y fuerza motriz
62
3.6 Carga térmica disipada por ocupantes
68
3.7 Conclusiones de cargas térmicas de refrigeración
71
UNIDAD lV
SELECCIÓN DE EQUIPOS
4.1 Condiciones de entrada
75
4.2 Ganancia de calor debido al aire de ventilación
76
4.3 Calculo de la capacidad acondicionador de aire
78
4.4 Tipos de sistemas de refrigeración
81
4.5 Sistema de refrigeración por absorción
81
4.6 Sistema de refrigeración por compresión
84
4.7 Elección del sistema de refrigeración
87
4.8 Tipos de aire acondicionado por compresión
88
4.9 Análisis de equipos de aire acondicionado
89
4.10
Selección de equipo
101
CONCLUSION
104
ANEXO 1
105
ANEXO 2
122
ANEXO 3
123
BIBLIOGRAFIA
124
INTRODUCCION
En el planeta existen diversidad de lugares con diferentes características
como son los bosques, desiertos, así como las playas, etc. donde existen
diferentes condiciones, unos más calurosos otras más húmedos en su
ambiente, todos los lugares con características diferentes en los cuales se
pueden pensar que no se podría vivir a gusto o conservan algún producto en
algunos de estos lugares.
Desde
épocas
antiguas
el
hombre
ha
experimentado
diferentes
acontecimientos que suceden en la naturaleza como la aparición del fuego el
cual fue utilizado para cocer sus alimentos y fue utilizado para estar cerca de
él y no tener frio, así como también se dieron cuenta que el hielo podía
conservar sus alimentos mayor tiempo sin echarse a perder.
Con el paso del tiempo el hombre fue evolucionando y lo que habían
experimentando, ahora lo fueron estudiando y aplicándole su conocimiento
para llevarlo a cabo, hasta tener en estos días tecnología cada vez más
avanzada.
Como fue pasando el tiempo, las necesidades fueron cambiando. Lo que
antes era buscar un lugar donde vivir con las mejores condiciones o donde
se encontrara una fuente importante de comida, ahora para mejorar su
bienestar a condiciones requeridas ya sea en su casa, la oficina, el teatro o
todo lugar donde quiera estar.
Ahora es muy común encontrar equipos de aire acondicionado que
mantengan dichos lugares en condiciones requeridas de confort. Estos
equipos de aire casi son indispensables en lugares como la ciudad de
Minatitlán ver, donde existen altas temperaturas y no se podría estar en un
1
lugar en especial como un aeropuerto, súper mercado, banco, cine, etc., Si
no hasta que la temperatura descendiera. En el aeropuerto de Minatitlán no
se cuenta con las condiciones de confort requeridas debido a que los
equipos son insuficientes para disipar el calor , esto se debe a un mal estudio
y cálculo de las cargas térmicas, por lo cual se busca ajustar dichas cargas
para que los equipos tengan la capacidad de brindarle comodidad
al
aeropuerto de Minatitlán, S.A. de C.V. el cual tiene un horario de vuelos ya
establecidos y el ascenso y descenso de pasajeros es muy alto y por lo tanto
si no cuenta con un sistema de acondicionamiento de aire los pasajeros no
podrían tener una estancia en el aeropuerto a gusto.
El aeropuerto de Minatitlán S.A de C.V. es un inmueble que contribuye a la
convivencia y uno de los principales medios de transportes en la zona sur
del estado de Veracruz, es por eso que este cuenta con todos los
requerimientos para su funcionamiento, especialmente cuando se es un
aeropuerto internacional el que es necesario que siempre este en excelentes
condiciones.
El trabajo consiste en calcular la carga térmica de refrigeración de ciertas
secciones y poder seleccionar un equipo de aire acondicionado que pueda
disipar dichas cargas térmicas.
También
se calculara las toneladas de
refrigeración a efecto de contar con la capacidad necesaria para mantener
una temperatura confortable en las distintas áreas del aeropuerto.
El aeropuerto de Minatitlán está distribuido de la siguiente manera:
1.-planta baja
2.- planta alta
2
De las plantas mencionadas solo se tomara en cuenta la planta baja para
nuestro cálculo de la carga térmica debido a que es el área más transitada
del aeropuerto, esta cuenta con las siguientes secciones:
Planta baja:
Sala de documentación y vestíbulo principal
Sala de ultima espera
Sala de bienvenida y reclamo
Oficinas generales
De las secciones mencionadas, la zona más transitada del aeropuerto son
las primeras tres secciones, en ellas se concentran el 93% de todos los
usuarios del aeropuerto, por lo tanto se hará el cálculo de la carga térmica de
dichas secciones para poder proponer un equipo de aire acondicionado.
Para el cálculo de cargas térmica de las secciones ya mencionadas se
nombraran de la siguiente manera para su fácil identificación, quedando de la
siguiente manera:
Sección 1: Sala de documentación y vestíbulo principal
Sección 2 : Sala de ultima espera
Sección 3: Sala de bienvenida y reclamo
Antes de hacer la estimación de la carga es necesario realizar un estudio
completo que garantice la exactitud de evaluación de los componentes de la
carga de la refrigeración.
Se analizaran y determinara que meses son los que tiene mayores
temperaturas para después determinar a qué hora sucede este incremento
dentro de este mes, para tener una aproximación más real de la carga de
3
refrigeración que afecta a este lugar.
Todo este estudio se realizara con el fin de hacer el cálculo de la carga
térmica de refrigeración que nos ayudara a proponer un equipo de aire
acondicionado adecuado y no proponer uno sin bases o aleatoriamente.
4
JUSTIFICACION
En el aeropuerto de Minatitlán S.A. de C.V. los equipos de
acondicionado
aire
en funcionamiento resultan ineficientes o se encuentran
excedidos en cuanto a capacidad debido a un mal estudio de las cargas
térmicas.
5
OBJETIVO
El objetivo principal del „„cálculo de carga térmica de refrigeración de las
secciones 1, 2 y 3 del aeropuerto de Minatitlán S.A. de C.V. ’’, es
sustentar teórica y técnicamente el cálculo de la carga térmica de las
secciones mencionadas con ayuda de conceptos de ingeniería, para así
poder calcular la capacidad de toneladas de refrigeración de los equipos y
proponer un equipo para que disipé la carga térmica.
6
1.1 ORIGEN DEL AIRE ACONDCIONADO
En la antigüedad, los egipcios ya utilizaban sistemas y métodos para reducir
el calor, uno de los grandes sistemas para suprimir el calor sin duda fue el de
los egipcios. Este se utilizaba principalmente en el palacio del faraón. Las
paredes estaban construidas de enormes bloques de piedra, con peso
superior de 1000 Toneladas y de un lado pulido y el otro áspero. Durante la
noche, 3000 esclavos desmantelaban las paredes y acarreaban las piedras
al Desierto del Sáhara. Como la temperatura
en el desierto disminuye
notablemente a niveles muy bajos durante el transcurso de la noche, las
piedras se enfriaban y justamente antes de que amaneciera los esclavos
acarreaban de regreso las piedras al sitio donde estaba el palacio y volvían a
colocarlas al sitio donde estas se encontraban. Se supone que el faraón
disfrutaba de temperaturas alrededor de los 26.7°C, mientras que afuera
estas se encontraban hasta en los 54°C o más. Como se menciono se
necesitaban
3000
esclavos
para
poder
efectuar
esta
labor
de
acondicionamiento, lo que actualmente se efectúa fácilmente.
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. Para ello, se basó en 3 principios:
El calor se transmite de la temperatura más alta a la más baja, como
cuando enfriamos un café introduciendo una cuchara de metal a la taza y
ésta absorbe el calor.
El cambio de estado del líquido a gas absorbe calor. Por ejemplo, si
humedecemos la mano en alcohol, sentimos frío en el momento en que
éste se evapora, puesto que absorbe el calor de nuestra mano. La presión
y la temperatura están directamente relacionadas. En un recipiente errado,
7
como una olla, necesitamos proporcionar menor cantidad de calor para
llegar a la misma temperatura que en uno abierto.
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.
Por esa época, un impresor de Brooklyn, Nueva York, tenía serias
dificultades durante el proceso de impresión, debido a que los cambios de
temperatura y humedad en su taller alteraban ligeramente las dimensiones
del papel, impidiendo alinear correctamente las tintas. El frustrado impresor
no
lograba
imprimir
una
imagen
decente
a
color.
Carrier, recién graduado de la universidad de cornell con una maestría en
ingeniería, acababa de ser empleado por la Compañía „„Buffalo Forge‟‟, con
un salario de 10 dólares semanales. El joven se puso a investigar con
tenacidad cómo resolver el problema y diseñó una máquina que controlaba la
temperatura y la humedad por medio de tubos enfriados, dando lugar a la
primera
unidad
de
aire
acondicionado
de
la
Historia.
El invento hizo feliz al impresor de Brooklyn, que por fin pudo tener un
ambiente estable que le permitió imprimir a cuatro tintas sin ninguna
complicación. El “Aparato para Tratar el Aire” fue patentado en 1906.
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 1911, Carrier reveló su fórmula racional psicométrica básica a la Sociedad
Americana de Ingenieros Mecánicos. La fórmula sigue siendo hoy en día la
8
base de todos los cálculos fundamentales para la industria del aire
acondicionado.
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.
Durante aquellos años, su objetivo principal fue mejorar el desarrollo de los
procesos industriales con máquinas que permitieran el control de la
temperatura y la humedad. Por casi dos décadas, el uso del aire
acondicionado estuvo dirigido a las industrias, más que a las vidas de las
personas.
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.
El nuevo sistema se estrenó en 1924 en la tienda departamental Hudson de
Detroit, Michigan. Los asistentes a la popular venta de sótano se sentían
mareados por el calor debido al pésimo sistema de ventilación, por lo que se
instalaron tres refrigerantes centrifugados Carrier para enfriar el piso. Una
multitud de compradores llenó “el almacén con aire acondicionado” y poco
tiempo
después
fueron
instalados
aparatos
en
toda
la
tienda.
Su uso pasó de las tiendas departamentales a las salas de cine. La prueba
de fuego se presentó en 1925, cuando el Teatro „„Rivoli de Nueva York‟‟
solicitó a la joven empresa instalar un equipo de enfriamiento. Se realizó una
gran campaña de publicidad, que provocó que se formaran largas colas de
9
personas en la puerta del cine. Casi todas llevaban sus abanicos, por si
acaso. La película que se proyectó aquella noche fue olvidada, pero no el
refrescante confort del aire acondicionado. La industria creció rápidamente.
Muchos estadounidenses disfrutaron por primera vez la experiencia de no
tener que sufrir en los cines por el calor, ya que los propietarios instalaron los
equipos para incrementar la asistencia durante los cálidos y húmedos días
de
verano.
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.
1.2 CONCEPTO DE AIRE ACONDICIONADO
Al empezar el estudio del tema acondicionamiento de aire, será conveniente
saber qué es lo que se entiende por tal expresión. Muchos consideran el
acondicionamiento del aire como una de nuestras industrias nuevas más
importantes. Una industria que se desarrolla con una rapidez extraordinaria y
que proporciona trabajo a miles de hombres con la instrucción adecuada y
más comodidad y mejor salud a muchas personas en sus hogares y en sus
lugares de trabajo.
Oímos hablar de teatros, restaurantes, teatros, almacenes, oficinas, casas,
fabricas, trenes, barcos, hospitales y aeropuertos con aire acondicionado.
Pero son muy pocas las personas que saben exactamente que es a aire
acondicionado.
10
Las ASHRAE (American Society of Heating, Refrigerating and Air
Conditioning Engineers) define al acondicionamiento de aire como:
"El proceso de tratar el aire, de tal manera, que se controle simultáneamente
su temperatura, humedad, limpieza y distribución, para que cumpla con los
requisitos del espacio acondicionado".
Hablando en términos más generales el acondicionamiento completa de aire
significa „ calentar el aire en invierno, enfriarlo en verano, circular el aire y
renovarlo’ , en estas dos estaciones del año, secarlo (quitarle humedad)
cuando el aire está demasiado húmedo , humedecerlo (añadirle humedad)
cuando es demasiado seco y filtrar o lavar el aire para privarle del polvo y los
posibles microbios que contenga tanto en verano como en el invierno,
cualquier sistema que solo realiza una o dos de estas funciones, pero no
todas ellas, no es un sistema completa de acondicionamiento del aire.
1.3 IMPORTANCIA DEL AIRE ACONDICIONADO
El uso del aire acondicionado tiene dos motivos: mantener la comodidad del
ser humano y controlar un proceso industrial.
Casos típicos de comodidad humana: en residencias, edificios de oficinas,
hospitales, hoteles, bancos, aeropuertos,
restaurantes, escuelas, cines,
teatros, etcétera.
Casos típicos de conservación y proceso industrial: hospitales (áreas
especiales como quirófanos y laboratorios), centros, de computo, industrias
textiles, industrias farmacéuticas, etcétera.
Además de la comodidad que disfrutamos con el aire acondicionado en un
día cálido y húmedo de verano, actualmente muchos productos y servicios
11
vitales en nuestra sociedad dependen del control del clima interno, como los
alimentos, la ropa y la biotecnología para obtener químicos, plásticos y
fertilizantes.
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.
Por lo tanto las condiciones que deben mantenerse en un proceso industrial
dependen de la naturaleza del mismo o de los materiales que se manejan,
mientras que en un sistema de comodidad humana, las condiciones son
dictadas por las demandas del cuerpo y por tanto, es necesarios conocer las
funciones esenciales de este para saber lo que es requerido de un sistema
para el acondicionamiento del aire.
El aire acondicionado inventado por Willis Haviland Carrier ha hecho posible
el desarrollo de muchas áreas tropicales y desérticas del mundo, que
dependen de la posibilidad de controlar su medio ambiente.
12
1.4 DESCRIPCION DEL AEROPUERTO
Las aerolíneas Asur (aeropuertos del sureste) cuenta con nueve aeropuertos
en la zona sur de la república mexicana entre ellos se encuentra
El
aeropuerto de Minatitlán Veracruz.
El aeropuerto de Minatitlán S.A. de C.V. fue fundado en 1826 sobre el rio
Coatzacoalcos y actualmente es uno de los aeropuertos más importantes del
estado de Veracruz, atiende a las dos ciudades más importantes del sur de
Veracruz, Coatzacoalcos y Minatitlán, atendiendo también a las ciudades
cercanas al aeropuerto. El aeropuerto atiende a más de 125000 pasajeros al
año.
El aeropuerto de Minatitlán de acuerdo a nuestro estudio, está integrado por
las siguientes secciones ya antes mencionadas localizadas todas en la
planta baja teniendo una distribución como se muestra en el plano 1(ver
anexo 3).
Como se había mencionado al principio solo parte de la
planta baja del
aeropuerto se acondicionara, siendo las siguientes secciones que serán
dotadas del sistema de acondicionamiento de aire que se muestran en el
plano 2 (ver anexo 3):
Sección 1: Sala de documentación y vestíbulo principal
Sección 2: Sala de ultima espera
Sección 3: Sala de bienvenida y reclamo
Se acondicionara estas secciones por propias necesidades derivadas de las
condiciones de trabajo las mismas, puesto que en ellas se requiere un
confort adecuado para la estancia de los pasajeros y para el personal que
labora, así como el clima propicio para conseguir un buen funcionamiento de
las operaciones de dicho aeropuerto.
13
1.5 CONCEPTOS FUNDAMENTALES
Para la aplicación del acondicionamiento de aire, el ingeniero aplica una
técnica para satisfacer las necesidades de un espacio determinado,
proporcionando con ellos condiciones
de temperatura y humedad que
produzcan una sensación de confort, así mismo para el proceso del cálculo y
proyecto se emplean con mucha frecuencia, conceptos y términos que se
analizaran a continuación.
Antes de estudiar el acondicionamiento, es necesario conocer sus
características y propiedades.
Composición del aire: La atmosfera que rodea la tierra es una mezcla de
gases cuya composición es:
Elemento
Volumen en %
Peso en %
Nitrógeno
78.1
76.0
Oxigeno
20.9
23.1
Argón
1.0
0.9
=100%
=100%
El aire contiene normalmente muchas impurezas, como gases, sólidos,
polvos, etcétera, en proporciones que dependen de varios factores. Se
supone que en lugares montañosos y en el mar el aire es más puro, aunque
los vientos también llevan consigo algunas impurezas.
El aire contiene por lo general:
14
GAS
%
Nitrógeno
78.03
Oxigeno
20.99
Argón
0.94
Bióxido de carbono
0.03
Hidrogeno
Xenón
Kriptón
0.01
Otros
Por lo general no hay que olvidar que contiene algunas impurezas, como las
que se mencionan a continuación:
IMPUREZAS
Humos de sulfuros
Humos de ácidos
CO2
Polvo
Cenizas
Minerales
Animales
Microorganismos
15
Aire saturado.-En la técnica del acondicionamiento de aire se da este
nombre, a la mezcla de aire vapor de agua saturado, significando que dicha
mezcla no puede contener mas vapor de agua sin que llegue a condensarse;
en otras palabras es cuando tiene un aire a una temperatura dada de bulbo
seco cuyo contenido de vapor de agua es el máximo que puede contener en
suspensión.
Aire seco.- Es el aire cuya composición no existe vapor de agua.
Aire húmedo.-Se llama aire húmedo a una mezcla de aire con agua en
cualquiera de sus formas. Es el estado del aire intermedio entre los
anteriores, es decir, su contenido de humedad es intermedio, ni mínimo ni
máximo.
Aire estándar.-Cuando se hace referencia a las tablas y graficas
psicométricas, así como ciertas características de
los
equipos
de
acondicionamiento de aire, se ha tomado como base el estado del aire
estándar cuyas condiciones son:
Condiciones estándar del aire:
Presión:
o
Temperatura seca:
Humedad relativa: 50%
Volumen especifico:
Carta psicométrica.-La carta psicométrica es la representación grafica de
las tablas psicométricas y, con ella se pueden analizar gráficamente las
propiedades psicométricas y se facilita la solución de diferentes problemas.
La
carta muestra básicamente, la relación entre las cinco siguientes
propiedades del aire:
16
1) Temperatura del bulbo húmedo
2) Temperatura de roció
3) Temperatura de bulbo seco
4) Humedad relativa
5) Humedad especifica
17
Temperatura de bulbo húmedo.-La temperatura de bulbo húmedo del aire
es la temperatura medida por un termómetro cuyo bulbo se encuentra
encerrado en una mecha o saco de tela húmeda
Temperatura de roció.-Es la temperatura a la cual la humedad del aire se
condensa, manteniendo la presión constante del mismo.
Temperatura e bulbo seco.-Es la temperatura medida por un termómetro
ordinario de bulbo seco y es la medida del calor sensible del aire expresado
en °C o °F.
Humedad relativa.-Es un término utilizado para expresar la cantidad de
humedad en una muestra de aire, en comparación con la cantidad de
humedad que el aire tendría, estando totalmente saturado y a la misma
temperatura de la muestra. La humedad relativa se expresa en porciento, tal
como: 30%, 50%,70%, etc.
Humedad especifica.-La humedad especifica o también llamada contenido
de humedad, es el peso del vapor de agua en gramos de kilogramos libras.la
humedad especifica se refiere a la cantidad de humedad en peso, que se
requiere para saturar una libra de aire seco, a una temperatura de saturación
(punto de roció) determinada.
Entalpia.-Es la suma de trabajo de flujo mas la energía interna. Es la
cantidad de calor contenida en el aire. La entalpia del aire es igual a la suma
de la entalpia del aire seco, mas la entalpia del vapor de agua contenido en
una mezcla, su punto de referencia es generalmente 0°C (32°F).
18
Calor.- El calor se define como la forma de energía que se transfiere entre
dos sistemas (o un sistema y sus alrededores) debido a una diferencia de
temperaturas.
Frio.-Es simplemente la usencia de calor o más bien una ausencia parcial del
mismo, porque, aunque que extraigamos la mayor parte del calor que
contiene un cuerpo o un espacio, no es posible quitarle por ninguno de los
medios el calor natural.
Medición del calor :La unidad del calor es la caloría o la kilocaloría, que es
la cantidad de calor necesario para elevar un grado centígrado la
temperatura de un kilogramo de agua, y los países que utilizan el sistema
ingles emplean el british termal united , ósea , el BTU. Que es la cantidad
de calor necesario para elevar un grado Fahrenheit la temperatura de una
libra de masa de agua.
Calor latente.-El término de calor latente se refiere la cantidad de calor
necesaria para cambiar el estado físico de una sustancia sin variar su
temperatura, de solido a liquido o de liquido a vapor. La palabra latente
significa „oculto‟, no es percibido por los sentidos. Para hacer que una
sustancia sufra un cambio físico, y pase del estado liquido al solido, o del
estado liquido al de vapor, hay que añadirle una cantidad considerable de
calor. Este calor latente es almacenado en la sustancia y lo devuelve de
nuevo cuando la sustancia retorna a su estado inicial cuando se enfría.
Calor sensible.-Es el calor que podemos sentir o medir con un algún
instrumento. Este es el calor que causa un cambio en la temperatura de una
sustancia, pero no un cambio en el estado. Por ejemplo, si se calienta agua
sobre una llama, podemos sentir la elevación de la temperatura sumergiendo
un dedo en el agua. Cuando la temperatura de un líquido o de una sustancia
19
se eleva, está absorbiendo calor sensible y, por el contrario, cuando baja la
temperatura de una sustancia, está desprendiendo calor sensible.
Calor total.-Es la suma del calor latente y calor sensible.
PROCESOS DE TRANSFERENCIA DE CALOR
Conduccion .-La conduccion es la trasferencia de calor a traves de un
material fijo, La dirección del flujo de calor será a ángulos rectos a la pared,
si las superficies de las paredes son isotérmicas y el cuerpo es homogéneo e
isotrópico.
Es la propagación de calor por una sustancia sin desplazamiento de materia.
Se observa fácilmente en los metales; si se calienta el extremo de una barra
de acero, la barra se calienta progresivamente en toda su longitud. La
trasmisión de calor por conducción es proporcional a las diferencias de
temperatura y a un coeficiente que caracteriza la conductibilidad de la
substancia.
Convección.- La convección es la transferencia de calor entre partes
relativamente calientes y frías de un fluido por medio de mezcla. Supóngase
que un recipiente con un líquido se coloca sobre una llama caliente. El
líquido que se encuentra en el fondo del recipiente se calienta y se vuelve
menos denso que antes, debido a su expansión térmica. El líquido adyacente
al fondo también es menos denso que la porción superior fría y asciende a
través de ella, transmitiendo su calor por medio de mezcla conforme
asciende. La transferencia de calor del líquido caliente del fondo del
recipiente al resto, es convección natural o convección libre. Si se produce
cualquiera otra agitación, tal como la provocada por un agitador, el proceso
es de convección forzada.
20
Radiación.-Es el paso de calor a través de ondas energéticas que se
desplazan o se mueven en un espacio determinado, en otras palabras, es la
propagación de calor en forma de radiaciones visibles o invisibles, y no se
produce más que en los medios trasparentes o en vacio. La tierra es
calentada por el sol únicamente por radiación. Para que un cuerpo se
caliente como consecuencia de una radiación, es necesaria que esta
radiación pueda ser absorbida por este cuerpo.
Condensación.-Es el cambio de estado de vapor a liquido en la atmosfera,
esto significa el roció, la lluvia y el granizo.
Evaporación.-Es el fenómeno inverso a la condensación mediante el cual
una sustancia cambia su estado líquido a vapor y ocurre en dos formas,
evaporación en sí y la ebullición. La evaporación se desarrolla en la
superficie del líquido y la ebullición se logra hasta el seno del fluido.
Refrigeración.-Es la técnica para la remoción de calor de un cuerpo o
sustancia para llevarlo a una temperatura menor. Por debajo de la
temperatura del medio amiente.
Refrigerantes.-Son componentes químicos que nos permiten remover calor
clasificados en directos, indirectos o primarios o secundarios.
Tonelada de refrigeración.-Es un término del sistema ingles de unidades
que se usa para definir y medir la producción de frio. La cual se define como
la cantidad de calor suministrada para fundir una tonelada de hielo (2000 lb)
en 24 horas, esto es basado en el concepto de calor latente de fusión
(
).
1 T.R
Por consiguiente una tonelada de refrigeración= 12000
21
2.1 ANALISIS CLIMATOLOGICA DE LA REGION
En el país existen varias zonas respecto a los climas imperantes en ellas,
originados por la presencia de uno o varios factores, entre ellos: altitud sobre
el nivel del mar, su mayor o menor cercanía al mismo, vientos dominantes,
posición respecto al ecuador y al trópico de cáncer, precipitaciones pluviales,
humedad reinante, presión atmosférica, etc., todas ellas determinan las
características especiales de los climas, entre los que se encuentran:
Climas fríos de alta montaña
calurosos de la llanura costera
zona cálida lluviosa
Desierto
Semidesierto
zona cálida
zona fría
clima templado
subhúmedo o semiseco
cálido-húmedo y el cálido-subhúmedo
trópico seco.
Por lo que respecta a la zona donde se encuentra el aeropuerto de Minatitlán
S.A. de C.V.
Esta se ubica en la
zona que comprende la llanura costera
baja del Golfo de México y del Pacífico, En esta región las temperaturas
oscilan entre los 15,6 °C y los 45 °C, donde predomina un clima cálido
lluvioso. El clima se presenta a lo largo de todo el año oscilando entre fines
del mes de febrero a fines del mes de septiembre,
con la presencia de
intensas precipitaciones pluviales en toda la estación de verano ,
prolongándose hasta parte del otoño y se han dado casos de prolongarse
hasta el invierno, lluvias que son cruzadas por los vientos dominantes del sur
procedentes de los litorales del golfo de México y por la exuberante
22
vegetación existente en la zona, consecuencia lógica de estas condiciones
es el alto porcentaje de humedad contenida en el medio ambiente, donde los
meses más calurosos son junio, julio y mayo.
Cabe hacer notar que las zonas donde predomina el clima cálido lluvioso,
poseen las siguientes características:
Regiones bajas, sin estaciones secas, calurosas en extremo
Sin estación invernal bien definida, puesto que se presentan con
carácter templado, acompañado con vientos procedentes del norte.
Vientos dominantes del sur
Precipitaciones pluviales de consideración
Ambiente con excesiva humedad
2.2 CONDICIONES DE MINATITLAN VER
Las condiciones que se presentan a continuación de la ciudad Minatitlán ver,
son tomadas del sistema nacional de meteorología:
Localización: 19°59´ latitud norte, 97°30´ longitud oeste, Minatitlán
Veracruz.
Altitud: 65 m (213.25 ft)
Presión barométrica: 754 mm (2968.50 plg de Hg)
Humedad relativa: 80.3%
23
Valores máximos extremos de temperatura registrados en la localidad de
Minatitlán:
Temperatura máxima 41.9°C (107.42°F)
Temperatura mínima 4°C (39.20°F)
Promedio de humedad relativa máxima 98%
Promedio de humedad relativa mínima 36%
Clima: cálido lluvioso
Meses más calurosos: mayo, junio y julio
Velocidad del viento:
24
2.3 ANALISIS DEL MES Y HORA MÁS CALUROSA
El siguiente análisis fue tomado de los datos analizados por el sistema
nacional de meteorología de México para la ciudad de Minatitlán
(Pronóstico meteorológico local
Minatitlán, MEX).
A continuación se muestra la siguiente tabla del análisis de todo el año:
Promedios mensuales
enero
Prom. bajo: 68°
Prom. alto: 77°
febrero
Prom. bajo: 69°
Prom. alto: 78°
marzo
Prom. bajo: 71°
Prom. alto: 83°
Abril
Prom. bajo: 75°
Prom. alto: 87°
mayo
Prom. bajo: 78°
Prom. alto: 89°
Junio
Prom. bajo: 78°
Prom. alto: 88°
Julio
Prom. bajo: 78°
Prom. alto: 87°
agosto
Prom. bajo: 77°
Prom. alto: 87°
septiembre
Prom. bajo: 76°
Prom. alto: 87°
octubre
Prom. bajo: 75°
Prom. alto: 84°
noviembre
Prom. bajo: 72°
Prom. alto: 82°
diciembre
Prom. bajo: 70°
Prom. alto: 78°
Como se observa en la tabla los meses más calurosos son mayo, junio y
julio, tal y como se demuestran en las condiciones anteriores de Minatitlán.
25
Las condiciones normales de cálculo en verano reseñadas en la tabla de
correcciones de temperatura de cálculo en funciones de la hora considerada,
son aplicables a las 15:00 horas del mes de julio (ver anexo 1: tabla 1 y 2),
para tales datos no hay correcciones de temperaturas, por lo tanto el manual
de aire acondicionado carrier específica que las condiciones normales de
diseño en verano para cálculo son aplicadas a las 15:00 horas del mes de
julio.
2.4 CONDICIONES DE DISEÑO EXTERIOR
No existe una regla fija para seleccionar la temperatura exterior de diseño
que debe usarse para una localidad, ya que normalmente se recurre a la
experiencia y al criterio al hacerse. Al respecto existe diversidad de
opiniones, recomendando algunos que se use una temperatura que no haya
sido excedida en más del 10% de los días de la temperatura de verano.
Por otra parte en normas establecidas por las asociaciones de ingenieros en
calefacción y aire acondicionado, tales como la AMICA, la ASHRAE, la
ASRE,etc., son asociaciones que se dedican a la investigación y
experimentación y que constantemente están descubriendo nuevas técnicas
para el mejoramiento en los sistemas de aire acondicionado, estas
asociaciones tabulan y recomiendan como bases de cálculo para diferentes
regiones, diferentes épocas del año y diferentes horarios, terminadas
condiciones exteriores.
Sin embargo existe una forma aproximada de obtener las condiciones de
diseño, recurriendo a los datos proporcionados por el servicio meteorológico
sobre las condiciones climatológicas como son: presión, temperatura de
bulbo seco, temperatura media máxima, temperatura máxima extrema,
porcentaje de humedad, etc. Y determinarla por medio de la siguiente
expresión:
26
Donde:
Temperatura media máxima
Temperatura máxima extrema
Pero considerando que la zona donde se localiza nuestro lugar de estudio, el
clima es tan variable y extremoso, optamos por considerar como bases de
cálculo las condiciones exteriores que nos indican el servicio meteorológico
como valores, solo se tomaran en cuenta los meses del verano que van
desde mayo hasta septiembre, debido a que los otros meses constituyen
gran parte del invierno y afectarían a nuestro calculo, por lo tanto nuestras
condiciones exteriores serán las siguientes:
Temperatura promedio máxima:
EN FEB MAR ABR MAY JUN JUL AGO SEP OCT NOV DIC
77
78
83
87
89
88
87
Temperatura exterior máxima de diseño:
27
87
87
84
82
78
Condiciones exteriores de diseño
Temperatura de bulbo seco:
Temperatura de bulbo húmedo (de tabla psicométrica con
y
):
Humedad relativa:
Por lo que respecta a los valores de humedad relativa, a causa del valor
extremoso tiende a decrecer, es decir, el vapor de agua aumenta en forma
directa al incremento de los valores de la temperatura seca, encontrándose
en la época típica de verano con humedad relativa de 36%, lo que ocasiona
malestar en las personas.
2.4 CONDICIONES DE DISEÑO INTERIOR
Las condiciones interiores de proyecto que se reseñan en las tablas del
manual carrier (ver anexo 1: tabla 3) se recomiendan para las aplicaciones
indicadas en la misma. Estas condiciones se han deducido de la experiencia
y han sido ratificadas por los ensayos de la ASHAE.
Se considera como base del cálculo, las siguientes condiciones interiores de
diseño:
Condiciones interiores de diseño
Temperatura de bulbo seco:
Temperatura de bulbo húmedo:
Humedad relativa:
28
2.5 TEMPERATURA DE DISEÑO O DIFERENCIAL DE TEMPERATURAS
Una vez establecidas las condiciones exteriores e interiores de diseño se
está en condiciones de determinar la temperatura de diseño o diferencial de
temperaturas para poder hacer el cálculo de cargas térmicas de la
instalación, en base a los planos del edificio. La finalidad de estos cálculos es
poder calcular las cargas térmicas, también determinaremos la temperatura
interior para el cálculo de cargas térmicas.
Determinación del Rango diario de temperatura
:
Rango diario de temperatura
Temperatura máxima promedio
Temeperatura mínima promedio
Para poder calcular el rango diario de temperatura se emplea un promedio
de temperaturas máximas y mínimas para los meses considerados para el
cálculo, que se expresan en la siguiente tabla:
Donde:
EN FEB MAR ABR MAY JUN JUL AGO SEP OCT NOV DIC
77
78
83
87
89
88
87
87
87
84
82
78
68
69
71
75
78
78
78
77
76
75
72
70
29
Temperatura de diseño o diferencial de temperatura
:
Donde
Temperatura de diseño
Temperatura de bulbo seco exterior corregida
Temeperatura de bulbo seco exterior
Temperatura de bulbo seco deseada en el interior del edificio
Rango diario de temperatura
Factor de rango diario de temperatura
Para la hora indicada de cálculo que es a las 15:00 horas no existe un
factor de corrección (ver anexo 1: tabla 1) por lo tanto que da lo siguiente:
Temperatura de diseño o diferencial de temperaturas:
Por lo que respecta a muros, particiones y vidrios interiores para el cálculo de
cargas térmicas se tiene la siguiente temperatura:
30
31
3.1 BALANCE TERMICO
Como ya sabemos para el análisis térmico, el aeropuerto se dividirá en tres
secciones, descritas a continuación:
Sección 1: Sala de documentación y vestíbulo
Sección 2: Sala de ultima espera
Sección 3: Sala de bienvenida y reclamo
El balance térmico es la cuantificación de la cantidad de calor que se
necesita absorber o suministrar a un espacio a acondicionar, es la relación
entre entradas y salidas de energía térmica para mantener el ambiente
interior del lugar en unas condiciones de temperatura y humedad definidas
para dar comodidad o para un proceso industrial. Este balance se hace con
la ayuda de los planos arquitectónicos 3, 4, 5 y 6 (ver anexo 3).
En este capítulo se obtendrán las bases requeridas para determinar la
capacidad del sistema de aire acondicionado del aeropuerto de Minatitlán
S.A. de C.V., la cantidad de calor que debe removerse con el equipo de aire
acondicionado, se le llama carga de refrigeración, y se debe principalmente a
las siguientes ganancias de calor (fuentes de calor para producir la carga de
enfriamiento):
Ganancia de calor debida a la transmisión a través de barreras que
puedan ser tales como muros exteriores, muros interiores, cancelería,
ventanas y cristalerías en general, techos, pisos, y que es ocasionada
por la diferencia de temperatura entre los dos lados de la barrera.
Ganancia de calor debida al efecto solar:
a) el calor transmitido por radiación a través de los cristales y
absorbido en el interior del espacio.
b) el calor absorbido por las paredes o techos expuestos a los rayos
solares y transferidos al interior.
32
Ganancia de calor ocasionada por infiltraciones del aire exterior
Ganancia de calor por concepto de alumbrado y fuerza motriz
Ganancia de calor disipada por ocupantes: ganancia de calor sensible
y ganancia de calor latente.
3.2 CALCULO DE CARGA TERMICA POR TRANSMISION A TRAVES DE
BARRERAS
La cantidad de energía calorífica, procedente del exterior y transmitida hacia
el interior del aeropuerto, está condicionada fundamentalmente por tres
factores importantes cuyo cálculo se expresa por la siguiente ecuación:
En donde:
= cantidad de calor transmitida por la superficie considerada en
.
= area de superficie expuesta al paso de la carga calorífica en
.
= coeficiente de trasnmision de calor en
o
.
= temperatura de diseño o diferencial de temperaturas por la cual existe el
flujo de calor del agente transmisor (aire exterior) el agente receptor (aire
interior) en
, dicha diferencia de temperatura se tomara a la hora de
carga máxima exterior. Para nuestro cálculo se toman las siguientes
recomendaciones.
El coeficiente de transferencia de calor
, es definido como la cantidad de
calor transmitido a través de un material o miembro estructural compuesto de
paredes paralelas. El factor U como lo llaman comúnmente, es el coeficiente
33
de transferencia de calor que resulta después de considerar los efectos de la
conductividad, conductancia y coeficientes peliculares superficiales, y se
expresa en términos de:
Y se aplica a estructuras compuestas tales como paredes, techos, etc. Se
representa por la siguiente ecuación:
En donde:
Representan a los factores de conductividad térmica de
cada uno de los materiales que constituyen al cuerpo en unidades de
.
Representan los coeficientes de película o superficie exterior e
interior del cuerpo considerado, cuyos valores dependen de la velocidad del
aire y del tipo de acabado de las superficies en ambos lados del muro, en
unidades de
. Se puede calcular de la siguiente manera
dependiendo de su caso:
Tipo de superficie muy lisa: vidrio, acrílico liso, lamina de aluminio,
lamina de latón, etc.
Tipo de superficie lisa: madera, lisa, aplanado de yeso, etc.
34
Tipo de superficie moderadamente áspera: concreto, tabique rojo
comprimido, aplanado de cemento.
Tipo de superficie muy áspera: concreto sin afinar, tabique áspero,
estuco, etc.
El valor de coeficiente de conductancia de superficie del muro en su
parte interior para el caso en que se tienen superficies con acabados
lisos o pulidos, donde la velocidad del viento se omite o igual a 0, se
calcula de la siguiente manera:
, representan el espesor de cada uno de los materiales que
constituyen el cuerpo en
.
La constitución de los muros compuestos del aeropuerto de Minatitlán está
constituida por los siguientes materiales:
Mármol de
de espesor como capa exterior
Hormigón (agregado de arena y grava)
de espesor como
capa central
Mármol de
de espesor como capa interior ( acabado liso y
pulido)
35
Los cuales se visualizan en la siguiente figura:
Tomando en cuenta las siguientes conductividades térmicas de los
materiales por los que está constituida la pared (ver anexo 2)
Mármol
(ver anexo 2
Hormigón ( agregado de arena y grava )
También se toman en cuenta los coeficientes de transmisión de los
siguientes materiales:
Vidrio de doble
transmisión
para ventanas y puertas con un coeficiente de
de
calor
de
.
36
(ver
anexo1:
tabla
4)
Concreto cinder para muros simples de construcción de 18 cm de
espesor (ver anexo 2)
Yeso
de
construcción
para
divisiones
(ver
anexo
2)
Para poder calcular el coeficiente total de transmisión de calor U de la pared
es necesario calcular primero los valores de
Para el cálculo de
:
, se toma en cuenta lo siguiente: Tipo de superficie
moderadamente áspera: concreto, tabique rojo comprimido, aplanado de
cemento:
Para el cálculo de
, se toma en cuenta lo siguiente: El valor de coeficiente
de conductancia de superficie del muro en su parte interior para el caso en
que se tienen superficies con acabados lisos o pulidos, donde la velocidad
del viento se omite o igual a 0, se calcula de la siguiente manera:
Tomando en cuenta los valores de
para calcular U tenemos:
Tomando en cuenta para nuestro calculo la temperatura de diseño o
diferencial de temperaturas:
37
También se toma en cuenta la diferencia de temperatura para interiores:
A continuación se calculan las áreas para el cálculo de la carga térmica
según la sección de estudio y de acuerdo a los planos arquitectónicos ( ver
anexo: planos 3,4 y 5)
Para su fácil identificación de las áreas
calculadas y cargas térmicas
utilizaremos la siguiente nomenclatura:
Para cálculo de áreas:
Área muro exterior
Area muro interior
Area particiones exteriores
= Área particiones interiores
= Área vidrio exterior
= Área vidrio interior
Para cálculo de cargas térmicas:
= Carga térmica por muro exterior
= Carga térmica por muro exterior
= Carga térmica por partición exterior
=Carga térmica por partición interior
= Carga térmica por vidrio exterior
= Carga térmica por vidrio interior
38
Sección 1: Sala de documentación y vestíbulo principal
Calculo de áreas
Áreas muros compuestos
Áreas muros simples
Áreas particiones
Áreas vidrios
Calculo de cargas térmicas
Cargas térmicas por muros compuestos
39
Cargas térmicas por muros simples
Cargas térmicas por particiones
Cargas térmicas por vidrio
Carga total
Sección 2: Sala de última espera
Cálculos de áreas
Áreas muros compuestos
40
Áreas particiones
Área frontal de la sección:
Áreas vidrios
Calculo de cargas térmicas
Cargas térmicas por muros compuestos
Cargas térmicas por particiones
Cargas térmicas por vidrio
41
Carga total
Sección 3: sala bienvenida y reclamo
Calculo de áreas
Áreas muros compuestos
Áreas muros simples
Áreas particiones
Áreas vidrios
42
Calculo de cargas térmicas
Cargas térmicas por muros compuestos
Cargas térmicas por muros simples
Cargas térmicas por particiones
Cargas térmicas por vidrio
43
Carga total
CALCULO DE LA TRASMISION DE CALOR A TRAVEZ DEL TECHO
El techo es del tipo plano con cielo raso y está construido de hormigón
(enlucido de arena) de
y un asilamiento encima de la cubierta de
(cubriendo al hormigón) de placas de corcho de
exterior de
, con un recubrimiento
de impermeabilizante, de tablas se recomienda para este
tipo de techo un coeficiente de transmisión de calor (ver anexo: tabla 5) de:
Para el cálculo de la ganancia de calor por transmisión a través de techos se
recurre también a la siguiente expresión:
Tomando el siguiente coeficiente de transferencia de calor:
Teniendo la siguiente diferencia de temperaturas:
44
Procederemos al cálculo del área del techo y de la carga por transmisión
para cada una de las secciones por acondicionar, teniendo lo siguiente:
Sección 1- Sala de documentación y vestíbulo principal
Área de techo
Carga térmica
Sección 2 – Sala de última de espera
Área de techo
Carga térmica
Sección 3- Sala de bienvenida y reclamo
Área de techo
Carga térmica
45
Resumen de cargas térmicas por transmisión a través de barreras y techos:
Sección
Total de cargas térmicas
Sección 1: documentación y
vestíbulo principal
Sección 2: sala de ultima espera
Sección 3: sala de bienvenida y
reclamo
3.3 CARGA TERMICA POR EFECTO SOLAR
El calor del sol, que recibe la tierra, varía desde un mínimo de cerca de
a
. La cantidad que llega ala superficie
terrestre se reduce considerablemente por dispersión o reflexión al espacio y
por absorción de la atmosfera. El calor del sol que llega a la tierra a través de
la atmosfera se conoce como radiación directa y el calor que se dispersa se
llama radiación del cielo o espacio.
Para calcular las ganancias de calor debidas al efecto solar se consideran
dos aspectos:
1. Calor ganado a través de cristales
2. Calor ganada a través de muros y techos
46
El calor que se gana en un espacio a través de los cristales depende de los
siguientes factores:
a) Latitud del lugar
b) Orientación de los cristales
c) Claridad de la atmosfera
d) Tipo de cristal usado
e) Dispositivo para sombrear
Un cristal ordinario absorbe alrededor del 6 % de la energía solar y refleja y
transmite el resto. La relación de la energía transmitida con la energía
reflejada depende del ángulo de incidencia.
Cuando los cristales no son ordinarios (especiales), absorben una fracción
más importante de la radiación solar, por las siguientes razones:
1. Porque pueden ser más gruesos
2. Porque pueden haber sido tratados al objeto de aumentar su
coeficiente de absorción (cristal atérmico o similar).
Estos cristales especiales disminuyen las ganancias por insolación directa,
pero aumentan la ganancia por convección, ya que han absorbido mayor
cantidad de calor. En general tienen un coeficiente de reflexión ligeramente
más bajo que el de cristal ordinario, puesto que absorben una parte del calor
reflejado por su cara interna. Su utilización se traduce, a pesar de ello, en
una disminución de las ganancias por insolación.
Generalizando la forma de encontrar el calor transmitido al espacio a través
de los cristales por el efecto solar, es la siguiente:
1. De tablas se encuentra de acuerdo con la latitud y orientación, la
ganancia máxima de calor en
.
47
2. En los valores tabulados en la tabla se considera toda el área de
cristal, en caso de que se tenga una ventana con marco metálico se
multiplica la ganancia por el factor de corrección 1.17.
3. Cuando el cristal no es estándar y la ventana no tiene algún
dispositivo para sombrear, la ganancia de calor se multiplica por el
factor
dado en tablas (manual carrier)
4. Cuando la ventana tiene algún dispositivo para tapar el sol, como
persianas interiores o exteriores, la ganancia de calor se multiplica por
el factor
que se obtiene de tablas (manual carrier)
5. Estas tablas están basadas en un ambiente exterior, cuya temperatura
de roció es de
. Añádase
ganancia de calor por cada
el
por cada
por debajo de
arriba de
a la
y disminúyase
.
6. Por cada 1000 pies arriba del nivel del mar, debe incrementarse la
ganancia de calor un
.
7. En lugares donde la atmosfera está muy contaminada de polvos,
humos y vapores puede reducirse la ganancia de calor hasta en un
.
Las formulas a utilizar en nuestro cálculo serán:
El calor solar ganado a través de muros y techos es más complejo, ya que
cuando el calienta la superficie se inicia un flujo de calor hacia e interior del
espacio, hasta llegar un máximo; después, el flujo disminuye poco a poco
durante la noche
vuelve a aumentar cuando el sol calienta de nuevo la
pared.
48
La sociedad americana de ingenieros en refrigeración (ASRE), recomienda
tomar en cuenta la ganancia de calor debida al efecto solar incrementando la
diferencia entre la temperatura de diseño exterior y la de diseño interior, al
calcular la ganancia de calor por transmisión en barreras debida a la
diferencia de temperaturas o sea:
Donde K es el incremento en °F, debido al efecto solar y que se encuentra
tabulada de acuerdo con la orientación y color de la pared, según la siguiente
tabla de la ASRE recomendada para la estación de verano.
Tipo de superficie
Orientación de la pared
Techo plano
este
sur
oeste norte
Color obscuro
10
7
10
5
30
Obscuro y claro
8
6
8
3
25
Color claro
6
4
6
2
19
Como ya se calculo la carga por transmisión en paredes y techos,
únicamente consideramos el aumento de temperatura „k‟ por efecto solar
para nuestros cálculos, por lo que la formula se reducirá a:
Para muros, particiones y techos:
Donde:
= carga térmica por efecto solar
= area total de la sección
= factor de incremento debido a la orientación
49
Para vidrios:
= factor de corrección = 1.17
Una vez obtenidos las bases para poder realizar nuestros cálculos,
procederemos al mismo para cada una de las unidades por acondicionar, a
partir de los siguientes datos ya conocidos:
Para muros compuestos
Para muros interiores
Para muros simples
Para vidrios
Para techos
El aeropuerto de Minatitlán S.A. de C.V. se encuentra localizado a 19° 59‟
latitud norte, se considera de acuerdo al estudio realizado en el capítulo 2,
que la carga máxima de calor es a las 15:00 hrs, para el periodo de verano.
Correcciones para la ganancia de calor por efecto solar a través de cristales:
1. Factor de corrección para cristales con marco metálico
2. Factor de corrección para cristales especiales, sin sombra, vidrio
polarizado color verde-grisáceo :
3. Corrección de temperatura para 33.6 °F de diferencia arriba de 66.8°F,
se disminuye el 21.3% a la ganancia de calor.
50
4. Corrección para lugares donde la atmosfera está muy contaminada de
humos, polvos o vapores, se reduce en un 10% la ganancia. ( ver
anexo : tabla 6)
Sección 1: Sala de documentación y vestíbulo principal
Fachada norte
Muros
El techo se considera en cualquier orientación ya que en algún punto del día
el sol afectara toda el área:
Fachada este
Muros
51
Particiones
Vidrio
De tablas (ver anexo: tabla 6) se tiene una ganancia de calor por cristales de
para 20° latitud norte, orientación este a las 15:00 hrs, del
periodo de verano de 21 de junio.
Corrección por temperatura: 24.5% menos
Corrección por atmosfera contaminada: 10%
52
Sección 2: Sala de última espera
Fachada oeste
Muros
El techo se considera en cualquier orientación ya que en algún punto del día
el sol afectara toda el área:
Vidrio
De tablas (ver anexo: tabla 6) se tiene una ganancia de calor por cristales de
para 20° latitud norte, orientación este a las 15:00 hrs, del
periodo de verano de 21 de junio.
Corrección por temperatura: 24.5% menos
Corrección por atmosfera contaminada: 10%
53
Sección 3: Sala de bienvenida y reclamo
Fachada este
Muros
Particiones
Vidrio
De tablas (ver anexo: tabla 6) se tiene una ganancia de calor por cristales de
para 20° latitud norte, orientación este a las 15:00 hrs, del
periodo de verano de 21 de junio.
Corrección por temperatura: 24.5%% menos
54
Corrección por atmosfera contaminada: 10%
Fachada sur
Muros
Fachada oeste
Muros
El techo se considera en cualquier orientación ya que en algún punto del día
el sol afectara toda el área:
55
Particiones
Vidrio
De tablas (ver anexo: tabla 6) se tiene una ganancia de calor por cristales de
para 20° latitud norte, orientación este a las 15:00 hrs, del
periodo de verano de 21 de junio.
Corrección por temperatura: 24.5% menos
Corrección por atmosfera contaminada: 10%
56
Resumen de cargas térmicas por efecto solar:
Sección
Total de cargas térmicas
Sección 1: documentación y
vestíbulo principal
Sección 2: sala de ultima espera
Sección 3: sala de bienvenida y
reclamo
3.4 CARGA TERMICA OCACIONADA POR INFILTRACIONES DEL AIRE
EXTERIOR
Para determinar el volumen de aire y las ganancias de calor latente y
sensible, se deben considerar las pérdidas por infiltraciones debidas a:
a) Las ranuras y puertas y ventanas que se pueden calcular por el
método de las ranuras, que consisten en medir la longitud de todas las
ranuras de puertas y ventanas y por medio de tablas experimentales
(manual carrier) que dan la cantidad de
o
por pie
linial de ranura, se calcula la infiltración total. Cuando los espacios por
acondicionar no están en edificios de gran altura, se suelen despreciar
la ganancia de calor debida a las ranuras. Como el aeropuerto de
Minatitlán S.A. de C.V. que se proyecta a acondicionar es de 2
plantas, pero dicho edificio no es de gran altura, para nuestro estudio
se despreciara la ganancia de calor debida a las ranuras.
57
b) La abertura más o menos constante de puertas. Por esto se supone,
según tablas (manual carrier), que de acuerdo con el tipo de
aplicación y la clase de puerta que hay una cantidad de aire que
penetra por cada persona que lo ocupa.
Calculo del volumen de aire infiltrado debido a la abertura más o menos
constante de puertas. De tablas se tiene de acuerdo a la aplicación y clase
de puerta una cantidad de aire que se infiltra por cada persona que lo ocupa.
En nuestro caso consideraremos la aplicación para bancos de reunión con
puerta oscilatoria de
, ósea 390
se tiene para esta aplicación y clase de puerta
, (ver anexo 1: tabla 7) por persona. Como
sabemos que nuestro estudio de trabajo a acondicionar está dividido en 3
secciones, por lo tanto se tiene lo siguiente:
Sección 1: Sala de Documentación y vestíbulo principal
La sección de documentación y vestíbulo principal cuenta con 175 personas,
por lo tanto se tiene una cantidad de aire que se infiltra de:
Sección 2: Sala de última espera
La sección de sala de última espera cuenta con 125 personas, por lo tanto se
tiene una cantidad de aire que se infiltra de:
58
Sección 3: Sala de Bienvenida y reclamo
La sección de Bienvenida y reclamo cuenta con 150 personas, por lo tanto
se tiene una cantidad de aire que se infiltra de:
El calor por infiltración de aire, una vez conocido el volumen del aire
infiltrado, se calcula de la siguiente manera:
Calor latente ganado:
Donde:
Humedad especifica interior en
Humedad especifica exterior en
Volumen de aire infiltrado en
Calor sensible ganado:
Temperatura interior de diseño en
Temperatura exterior de diseño en
Volumen de aire infiltrado en
De carta psicométrica para
específica
y
(ver anexo).
59
se tiene una humedad
De igual manera para
especifica
y
se tiene una humedad
(ver anexo).
Calor latente ganado por infiltraciones de aire
Sección 1- sala de documentación y vestíbulo principal
Sección 2 – sala de última espera
Sección 3- sala de bienvenida reclamo
60
Calor sensible ganado por infiltraciones de aire
Sección 1-Sala de documentación y vestíbulo principal
Sección 2 – Sala de última espera
Sección 3-Sala de bienvenida reclamo
Total de cargas térmicas
Sección
Calor sensible
Sección 1: documentación y
vestíbulo principal
Sección 2: sala de ultima espera
Sección 3: sala de bienvenida y
reclamo
61
Calor latente
3.5 CARGA TERMICA POR CONCEPTO DE ALUMBRADO Y FUERZA
MOTRIZ
Con el fin de tomar en cuenta el concepto de ganancia de calor en el balance
térmico de un local por equipo y alumbrado, se deben considerar los
diferentes casos en la forma siguiente:
En el alumbrado tanto como incandescente como fluorescente se considera
que toda la energía consumida por la lámpara se transforma en calor (en
realidad oscila entre 95% y 98%) a razón de
.
Tabla Ganancias debidas al alumbrado
TIPO
GANANCIA DE CALOR SENSIBLE EN BTU/HR
Fluorescente
Potencia útil en vatios x 4,1
Incandescente
Potencia útil en vatios x 3,4
(Ver anexo1: tabla 8)
= carga térmica por concepto de alumbrado y fuerza motriz
Potencia útil en watts
El .25 suplementario corresponde a la potencia absorbida en la
resistencia reguladora.
= factor de alumbrado variante, dependiendo del tipo de lampara.
Sección 1: sala de documentación y vestíbulo principal
El área cuenta con la siguiente iluminación:
174 lámparas fluorescentes de 33 watts cada una.
62
32 lámparas fluorescentes de 13 watts.
Total en watts:
También se cuentan con los siguientes aparatos:
4 televisiones de 42 plg con un consumo diario de 250 watts
7 computadoras con un consumo diarios de 300 watts
4 congeladores con un consumo diarios de 400 watts
2 hornos de microondas con un consumo de 1200 watts
Total en watts:
Sección 2: Sala de última espera
El área cuenta con la siguiente iluminación
10 lámparas fluorescentes de 250 watts cada una.
14 lámparas fluorescentes de 33 watts cada una.
Total en watts:
63
También se cuentan con los siguientes aparatos:
4 televisiones de 42 plg con un consumo diario de 250 watts
3 computadoras con un consumo diarios de 300 watts
2 congeladores con un consumo diarios de 400 watts
1 hornos de microondas con un consumo de 1200 watts diarios
Total en watts:
Sección 3: sala de Bienvenida y relamo
El área cuenta con la siguiente iluminación:
208 lámparas fluorescentes de 33 watts cada una.
17 lámparas fluorescentes de 13 watts cada una.
También se cuentan con los siguientes aparatos:
4 televisiones de 42 plg con un consumo diario de 250 watts
7 computadoras con un consumo diarios de 300 watts
1 congeladores con un consumo diarios de 400 watts
1 hornos de microondas con un consumo de 1200 watts diarios
64
Por lo que respecta a maquinas accionadas por motores eléctricos se
consideran los siguientes casos:
1. Si la maquina y el motor se encuentran en el interior del local, la
energía tomada de la línea, se debe considerar transformada en calor
total y puede calcularse de la siguiente manera:
Eficiencia del motor eléctrico
Potencia del motor eléctrico en caballos de fuerza
2. Si la maquina esta en el interior del local y el motor fuera de él, se
usara la siguiente fórmula:
Potencia de la maquina en caballos de fuerza
3. Cuando la maquina esta fuera del local y el motor que la acciona
adentro, se usara la siguiente fórmula:
4. Otro método directo para calcular la ganancia de calor debida a
motores es la obtenida de las siguientes expresiones:
Para motores mayores a 2 hp
Para motores menores a 2 hp
65
Sección 1: Sala de documentación y vestíbulo
Se cuenta con una banda transportadora de 12m, 10m y 5m todas acopladas
entre sí, la banda transportadora es de 1 m de ancho y al mismo tiempo
están acopladas aun motor eléctrico de 4 hp, 5500rpm , 220V/240V, motor
de alta eficiencia 93% ,60Hz, 6Amp de arranque. El equipo se encuentra
dentro del aeropuerto, por lo tanto la carga térmica se calculara de la
siguiente manera de acuerdo a los casos anteriores mencionados:
Sección 2: Sala de última espera
Se cuenta con una banda transportadora de 5m, la banda transportadora es
de 1 m de ancho y al mismo tiempo está acoplada a un motor eléctrico de 2
hp, 2500rpm, 220V/240V, motor de alta eficiencia 93% ,60Hz. El equipo y
motor eléctrico se encuentra dentro del aeropuerto, por lo tanto la carga
térmica se calculara de la siguiente manera de acuerdo a los casos
anteriores mencionados:
66
Sección 3: Sala de bienvenida y reclamo
Se cuenta con una banda transportadora de secciones divididas, las cuales
son: 14m y 12m todas acopladas entre sí, la banda transportadora es de 1 m
de ancho y al mismo tiempo están acopladas aun motor eléctrico de 3.5 hp,
4800 rpm, 220V/240V, motor de alta eficiencia 93% ,60Hz. El equipo se
encuentra dentro del aeropuerto y el motor fuera de la instalación por lo
tanto la carga térmica se calculara de la siguiente manera de acuerdo a los
casos anteriores mencionados:
Sección
Total de cargas térmicas
Sección 1: documentación y
vestíbulo principal
Sección 2: sala de ultima espera
Sección 3: sala de bienvenida y
reclamo
67
3.6 CARGA TERMICA DISIPADA POR OCUPANTES
Por regla general la temperatura del cuerpo humano es mayor que la
temperatura del medio ambiente y existe un desprendimiento de calor hacia
el exterior. La ganancia de calor producida por los ocupantes del espacio a
enfriar esta tabulada, y depende de la propia actividad que las personas
desarrollen dentro del espacio y de la temperatura de este ambiente.
La ganancia puede considerarse dividida en dos partes:
a) Ganancia de calor sensible
b) Ganancia de calor latente
Donde podemos calcularla de la siguiente manera:
También existen tablas (ver anexo1: tabla 9), curvas y nomogramas que
proporcionan el calor generado por personas a partir de la temperatura de
comodidad, o bien, a partir de los
que desarrolla un individuo.
Así mismo hay curvas que según la temperatura y actividad que desarrolla un
individuo proporcionan la cantidad de evaporación de un individuo por hora.
Sección 1: Sala de documentación y vestíbulo principal
Número de personas 175, con las siguientes actividades: parados caminando
despacio; para una temperatura de 75°F se tienen los siguientes valores de
calor sensible y latente :
68
Sección 2: Sala de última espera
Número de personas 125 con actividades: sentado trabajo ligero; para una
temperatura de 75°F se tienen los siguientes valores de calor sensible y
latente:
Sección 3: sala de Bienvenida y relamo
Número de personas 150 con actividades: parados caminando despacio;
para una temperatura de 75°F se tienen los siguientes valores de calor
sensible y latente:
69
Total de cargas térmicas
Sección
Calor sensible
Sección 1: documentación y
vestíbulo principal
Sección 2: sala de ultima espera
Sección 3: sala de bienvenida y
reclamo
70
Calor latente
3.6 CONCLUSIONES DE CÁLCULO DE LAS CARGAS TERMICAS PARA
REFRIGERACION
Resumen de cargas térmicas de la sección 1:
Documentación y vestíbulo principal
Concepto
Calor sensible
Carga térmica por
transmisión
Carga térmica por
efecto solar
Carga térmica por
infiltraciones
Carga térmica por
alumbrado y equipo
Carga térmica por
ocupantes
total
71
Calor latente
Resumen de cargas térmicas de la sección 2:
Sala de ultima espera
Concepto
Calor sensible
Carga térmica por
transmisión
Carga térmica por
efecto solar
Carga térmica por
infiltraciones
Carga térmica por
alumbrado y equipo
Carga térmica por
acupantes
Total
72
Calor latente
Resumen de cargas térmicas de la sección 3:
Sala de bienvenida y reclamo
Concepto
Calor sensible
Carga térmica por
transmisión
Carga térmica por
efecto solar
Carga térmica por
infiltraciones
Carga térmica por
alumbrado y equipo
Carga térmica por
acupantes
total
73
Calor latente
Resumen total de cargas térmicas de las secciones 1,2 y 3:
Sección
Total de carga térmicas
Calor sensible- calor latente
Sección 1: sala de documentación
y vestíbulo
Sección 2: sala de ultima espera
Sección 3: sala de bienvenida y
reclamo
74
4.1CONDICIONES DE ENTRADA
En el capitulo anterior se obtuvieron las cargas térmicas de las secciones
mencionadas que fueron sustentadas teórica y prácticamente por conceptos
de ingeniería, por lo que el objetivo está cubierto. Pero como saber qué tipo
de equipo utilizar para eliminar dichas cargas térmicas. En este capítulo
procederemos a hacer los últimos cálculos para seleccionar el equipo
acondicionador de aire de la manera más sencilla y sin entrar en detalles de
acuerdo a la capacidad de este que determinaremos más adelante,
resumiendo de capítulos anteriores, se tienen los siguientes valores:
Condiciones exteriores:
Temperatura de bulbo seco:
Temperatura de bulbo húmedo:
Humedad relativa: 36 %
Condiciones interiores:
Temperatura de bulbo seco:
Temperatura de bulbo húmedo:
Humedad relativa: 50%
75
Cargas de calor por eliminar:
Sección
Total de carga térmicas
Calor sensible- calor latente
Sección 1: sala de documentación
y vestíbulo
Sección 2: sala de ultima espera
Sección 3: sala de bienvenida y
reclamo
4.2 GANANCIA DE CALOR DEVIDA AL AIRE DE VENTILACION
De tablas de manual carrier ventilación recomendada para diferentes lugares
se tiene,
(ver anexo: tabla 10) por persona para oficinas privadas,
debido a que los aeropuertos deben estar exentos de humo de cigarro, por lo
tanto el aire de ventilación será de:
Sección 1: Sala de documentación y vestíbulo.
Calor sensible del aire nuevo (de ventilación):
76
Calor latente de aire nuevo (de ventilación):
De carta psicométrica (ver anexo 1), con las condiciones exteriores,
y 36%, se tiene una humedad especifica de
De igual manera de
carta psicométrica (ver anexo 1)
se tiene una humedad específica
Por lo tanto:
Sección 2: Sala de última espera
Calor sensible del aire nuevo (de ventilación):
77
.
para
y
Calor latente de aire nuevo (de ventilación):
Sección 3: Sala de bienvenida y reclamo
Calor sensible del aire nuevo (de ventilación):
Calor latente de aire nuevo (de ventilación):
4.3 CALCULO DE LA CAPACIDAD ACONDICIONADOR DE AIRE
Sección 1: Sala de documentación y vestíbulo principal
Más el 10% (factor de seguridad):
78
En toneladas de refrigeración:
Sección 2: Sala de última espera
Más el 10% (factor de seguridad):
En toneladas de refrigeración:
79
Sección 3: Sala de bienvenida y reclamo:
Más el 10% (factor de seguridad):
En toneladas de refrigeración:
Una vez calculada la carga total del sistema, se está en condiciones de elegir
el o los equipos de aire acondicionado a emplear para disipar el calor del
aeropuerto por conceptos ya descritos, los equipos seleccionados deberán
tener capacidades mínimas de 50 toneladas de refrigeración.
80
4.4 TIPOS DE SISTEMAS DE REFRIGERACION
La refrigeración mecánica es la más empleada para instalaciones como la
que se estudia es este cálculo siendo los métodos más empleados:
Refrigeración por absorción
Refrigeración por compresión
Algunos otros métodos de refrigeración mecánica como el refrigeración por
ciclo de aire a la refrigeración por chorro de vapor son menos comunes y
para este estudio no se consideran.
4.5 SISTEMAS DE REFRIGERACION POR ABSORCION
El sistema de refrigeración por absorción fue inventado en Francia por
ferdinad carre.
En esencia, las maquinas de refrigeración por absorción son platas de
compresión de vapor en donde se ha sustituido el compresor mecánico por
un aparato activado mecánicamente.
Este sistema funciona a base de calor y utiliza para ello un agente
refrigerante altamente absorbente, que es generalmente amoniaco o en sia
agua fría, sus elementos básicos son:
el absolvedor
la bomba
el intercambiador de calor
la válvula de estrangulación
el generador
En este tipo de refrigeración se emplea un fluido secundario, el absorbente,
para absorber el fluido primario después de que allá salido del evaporador.
En el absolvedor se hace regresar el refrigerante vaporizado a la fase liquida.
81
El calor liberado en el proceso de absorción debe ser rechazado hacia el
agua de enfriamiento, entonces se bombea la solución de absorbente y
refrigerante hacia el generador. En el generador se agrega el calor, así el
refrigerante más volátil se separa del absorbente por destilación. El
refrigerante sigue su camina hacia el condensador, la válvula de expansión y
el evaporador en tanto que el absorbente regresa al absolvedor.
Aun cuando existen muchas combinaciones refrigerante-absorbentes, los
sistemas más comunes son amoniaco-agua y agua-bromuro de litio.
Las ventajas principales de las unidades frigoríficas por absorción, en
referencia al acondicionamiento de aire consiste en que solo absorben una
pequeña cantidad de energía mecánica o eléctrica en su operación teniendo
que solo una cantidad pequeña de trabajo mecánico se gasta en la bomba ,
en cambio se utiliza calor como fuente principal de energía; resultando
económico cuando se dispone de este medio , por lo que el costo real de su
funcionamiento es el costo de energía térmica consumida por el generador .
82
Las maquinas de absorción solo representan un pequeño porcentaje de los
sistemas de refrigeración en operación, este se debe e que en general son
voluminosas y difíciles de operar con eficiencia.
Como el calor de en forma de vapor o de agua caliente es la fuerza actuante
en una maquina de absorción, se mencionan algunas características para la
aplicación de las maquinas de refrigeración por absorción:
donde se disponga de combustible de bajo costo
en lugares donde las tarifas eléctricas sean elevadas, siempre y
cuando y el costo del vapor en toneladas sea menor que 50 veces el
costo de la electricidad por kilovatio
cuando es deseable aprovechar el gas o vapor para las cargas de
verano
cuando la capacidad de la caldera de calefacción de baja presión no
se aprovecha parcial o totalmente durante la estación de invierno.
Donde se dispone de vapor no utilizado.
Cuando se carece de medios eléctricos adecuados para instalar una
maquina convencional de compresión, puesto que una maquina de
absorción utiliza solo un 2.9% de la potencia eléctrica necesaria para
un equipo de compresión
La máquina de absorción se puede instalar prácticamente en cualquier
emplazamiento de un edificio, siempre que el suelo tenga la debida
resistencia y un nivel razonable, la ausencia de partes móviles pesadas
elimina prácticamente todas las vibraciones y reduce el nivel de ruido al
mínimo.
83
4.6 SISTEMAS DE REFRIGERACION POR COMPRESION
El ciclo de compresión de vapor es el más importante desde el punto de vista
comercial, son empleados en los sistemas de acondicionamiento de aire y
refrigeración domestica.
Es este tipo de sistema el gas refrigerante se evapora y condensa
alternativamente siendo uno de los procesos que interviene en este sistema
una compresión de vapor, los elementos principales de este sistema son:
evaporador
condensador
válvula de expansión
compresor
La figura siguiente representa el diagrama de flujo de todos los componentes
del sistema, así como también ilustra el proceso de condensación y el
reciclado total de la sustancia de trabajo, llamado refrigerante.
Vamos a explicar de la forma más sencilla y breve y sin entrar en detalles de
precisión y el recorrido que realiza el refrigerante a lo largo de un ciclo
completo en una maquina de refrigeración.
Comenzaremos cuando el refrigerante es aspirado por el compresor. En ese
instante los gases son comprimidos a alta presión recibiendo una energía
mecánica y pasando a la cámara de descarga. El gas recalentado pasa así al
condensador donde se enfría al ceder calor al medio que lo rodea,
normalmente agua y/o aire, hasta llegar a la temperatura a la cual se
condensa pasando así al estado líquido. La temperatura a la cual se produce
este cambio depende de la presión existente en esos momentos en el
condensador y de la naturaleza del condensador y de la naturaleza del
refrigerante que utilice el sistema.
84
El refrigerante en estado líquido sale del condensador y se dirige a la válvula
de expansión. Dicha válvula hace pasar el refrigerante a través de un orificio
muy pequeño provocándole una fuerte pérdida de presión llevándolo de este
modo al refrigerante a una presión y una temperatura inferior entrando en
este estado al evaporador. Una vez que se encuentra en el interior del
evaporador el refrigerante comienza a hervir debido al calor que absorbe del
medio circulante, normalmente aire y/o agua, hasta pasar todo ha estado
gaseoso. Todo este proceso se debe a que la temperatura a la cual se
evapora el refrigerante es muy baja. El gas se dirige entonces al compresor
donde es aspirado de nuevo por este y dando comienzo a un nuevo ciclo.
El siguiente diagrama muestra que
recorrido que realiza a través del
sistema.
A continuación se describen las partes principales del ciclo de refrigeración:
COMPRESOR.-El compresor puede ser de tipo reciprocanté, centrifugo o
rotatorio, el cual tiene por objetivo elevar la temperatura del gas refrigerante
85
a un valor tal que su punto de condensación sea superior a la temperatura de
los medios disponibles para que se realice la condensación.
Como resultado de esto:
La presión y temperatura del refrigerador en el evaporador son
disminuidos, permitiéndole absorber calor del ambiente que lo rodea.
La presión y temperatura del refrigerante en el condensador son
aumentados suficientemente para permitirle transferir calor al aire o
agua de condensación que se encuentra a temperatura normal.
EVAPORADOR.-El evaporador absorbe calor del ambiente o material que va
hacer enfriado. Su forma y disposición del circuito dependen de la clase de
instalación para la cual ha sido diseñada. No es nada más que un serpentín
abierto conectado a una botella de refrigeración. Este serpentín se llama
evaporador por que el refrigerante se evapora en su interior. La absorción de
calor por evaporación del refrigerante produce el enfriamiento.
CONDENSADOR.-El condensador es un dispositivo para eliminar calor de
un sistema de refrigeración.
Es un componente de un sistema de
refrigeración se transfiere a un medio que lo absorbe, y le traslada a un punto
final determinado de antemano. El condensador es la puerta a través de la
cual el calor que no se desea fluya fuera del sistema de refrigeración. Consta
de un serpentín destinado a transformar el vapor del refrigerante de alta
presión, que proporciona el compresor, el líquido refrigerante a la misma
presión, mediante el contacto con el aire y/o agua del medio ambiente. Al
igual que los otros dispositivos también existen diferentes tipos de
condensadores.
VALVULA DE EXPANSION.-Es un dispositivo de diseño especial que
dosifica y controla automáticamente el flujo del refrigerante en la línea del
líquido al evaporador, haciendo que la presión del refrigerante disminuya.
86
4.7 ELECCION DEL SISTEMA DE REFRIGERACION
De los sistemas de refrigeración existentes los mencionados en los temas
anteriores, son los más empleados en cuanto a avances técnicos y a las
compañías que los distribuyen se han preocupado para mejorarlos y eliminar
problemas así como levar su eficiencia.
Los sistemas de refrigeración por absorción son económicos, en su
funcionamiento cuando se cuenta con un flujo efectivo de vapor de
agua , cuando no se cuenta con este medio , se hace el montaje de un
equipo generador de vapor, instalaciones para un sistema para el
tratamiento de agua de inyección y equipos auxiliares , lo cual
incrementa los costos del equipo e instalación.
Un sistema de refrigeración por compresión tiene mayor equipo
mecánico y por requiere un consumo mayor de energía eléctricas.
Los sistemas de compresión tienen una operación flexible bajo todas
las condiciones de carga, eficientando con esto el servicio obtenido.
Los sistemas de compresión de vapor tiene un diseño hermético y
compacto reduciendo con esto el espacio de instalación, mientras que
los equipos de absorción se requiere mucho mayor espacio por los
equipos que requiere.
En la actualidad se cuentan con unidades de refrigeración por
compresión más eficientes y silenciosas, así como sencillas en cuanto
a su mantenimiento e instalación.
Los sistemas de refrigeración por compresión son mas económicas y
recomendables para capacidades mucho mayores en toneladas de
refrigeración.
El tipo de refrigeración más empleada en México es el de compresión
d vapor, contando con una gran variedad en cuanto a disposición de
equipos, capacidades, instalación así como compañías dedicadas a
su diseño e instalación.
87
De acuerdo con los puntos anteriores se ha elegido para la selección de
equipos de aire acondicionado los sistemas de refrigeración por compresión.
4.8 TIPOS DE AIRE ACONDICIONADO POR COMPRESION
Acondicionador de ventana
Es un equipo unitario, compacto y de descarga directa, normalmente se
coloca por habitación o, si el local es de gran superficie, se colocan varias
de acuerdo a las necesidades del inmueble.
La instalación se realiza en ventana o muro, la sección exterior requiere toma
de aire y expulsión a través del hueco practicado. Las dimensiones del hueco
han de ajustarse a las dimensiones del equipo.
Equipos partidos (mini-Split)
So equipos unitarios de descarga directa, se diferencian de los componentes
en que la unidad formada por el compresor y el condensador va al exterior,
mientras que la unidad evaporadora se
instala en el interior. Ambas
unidades se conectan mediantes las líneas de refrigerante. Con una sola
unidad exterior se puede instalar una unidad interior, las unidades interiores
pueden ser de tipo mural, de techos y consolas y todas aquellas disponibles
de control independiente. El hueco necesario para unir la unidad interior y la
exterior es muy pequeño , así un hueco de 10x10 cm es suficiente para
pasar los tubos de refrigerante , el tubo de condensación de la unidad
evaporativa y el cable de conexión eléctrica.
Equipo compacto individual (paquete)
Es un equipo unitario de descarga indirecta, mediante red de conductos y
emisión de aire a través de rejillas de pared o difusores en techo,
generalmente se instalan para todo el conjunto habitacional de una vivienda
o local.
88
El equipo necesita de una toma de aire exterior, generalmente se localiza
fuera del inmueble. Cada vez crece más la aplicación de estos equipos ya
que algunos cuentan con dispositivos, electrónicos de control independiente
o en bloques, así como control de las condiciones del aire inyectado
Sistemas de manejadoras de aire
Una unidad manejadora de aire o climatizador es un aparato de
acondicionamiento de aire que se ocupa de mantener caudales de aire
sometidos a un régimen temperatura preestablecida. También se encarga de
mantener la humedad dentro de valores apropiados, así como de filtrar el
aire.
Este sistema es empleado desde hace mas de 30 años en nuestro país,
consta de diversos elementos ubicados en el exterior del inmueble por
acondicionar estos son :
Unidad centrifuga
Manejadora de aire
Bomba
Torre de enfriamiento
Sus principales aplicaciones son los grandes centros comerciales, edificios,
centros de convenciones, aeropuertos, lugares donde se necesitan grandes
volúmenes de aire acondicionado, son ideales para eliminar grandes cargas
térmicas de refrigeración.
4.9 ANALISIS DE EQUIPOS DE AIRE ACONDICIONADO
Después de hacer
la evaluación de las cargas térmicas y analizar los
diferentes tipos de aire acondicionado, debe elegirse un equipo cuya
capacidad sea suficiente para neutralizar dichas cargas. El aire impulsado
89
hacia el espacio acondicionado debe tener las condiciones necesarias para
satisfacer las cargas de calor sensible y latente que han sido estimadas.
Se ha determinado las toneladas de refrigeración que se requieren para
obtener las condiciones requeridas
en el aeropuerto y así determinar el
equipo.
Ahora con base a una selección de equipos eliminaremos dichas cargas de
térmicas, proponiendo un sistema de aire acondicionado ideal y que tenga la
capacidad para eliminar dichas cargas.
Como ya conocemos la cantidad de cargas térmicas por cada sección,
debido a que son altas, se usaran los sistemas de aire acondicionado tipo:
Unidad manejadora de aire
Para poder seleccionar un equipo adecuado analizaremos
3 diferentes
equipos de aire acondicionado, el funcionamiento fundamental de los 3 es el
mismo.
Para este estudio tomando en cuenta por medio del cálculo de cargas
térmicas se determino emplear y estudiar los tres equipos que a continuación
se mencionan.
Este estudio se efectuó comparando calidad y precios entre 3 marcas
diferentes, las cuales son las siguientes:
York
Carrier
Airwell
90
Equipos
unidad
Cantidad
Precio
Importe
unitario
UNIDAD MANEJADORA DE
AIRE
MARCA
YORK,
MODELO 36 x 63, CON
CAPACIDAD DE 300,000
BTU/HR, CON MOTOR DE 5
H.P., PARA OPERAR A
460/3/6O
UNIDAD MANEJADORA DE
AIRE
MARCA
TRANE,
MODELO YCUL0016, CON
CAPACIDAD DE 300,000
BTU/HR, CON MOTOR DE 5
1/2 H.P., PARA OPERAR A
460/3/5O
UNIDAD MANEJADORA DE
AIRE MARCA FERROLI,
MODELO CUBE FTV, CON
CAPACIDAD DE 300,000
BTU/HR, CON MOTOR DE 5
1/2 H.P., PARA OPERAR A
460/3/5O
PZA
1
66247.00
PZA
1
68847.00
68847.00
PZA
1
69789.00
69789.00
66247.00
Cabe mencionar que estos precios son valores de factura de cada unidad, y
están manejados en pesos mexicanos.
A continuación se hace un breve análisis de marcas y equipos
91
MARCA JONHSON CONTROLS: YORK PRODUCTS AND SERVICES
Johnson Controls es un líder tecnológico e industrial global y diversificado
que sirve a clientes de más de 150 países, además abastece a los sectores
de la construcción y la automoción a través de tres unidades de negocio:
Building Efficiency, Automotive Experience y Power Solutions.
Johnson Controls es una empresa global y diversificada en los sectores de la
construcción y de la automoción. Prestamos servicio a estos mercados a
través de nuestras tres unidades de negocio:
Automotive Experience es líder global en asientos para automóviles,
sistemas para el techo, paneles de instrumentos y puertas, y sistemas
electrónicos de interiores.
Power Solutions es el líder global en baterías de plomo y ácido para
automóviles y en baterías para vehículos híbridos y eléctricos.
Building Efficiency es un proveedor líder de equipos y controles para
sistemas de calefacción, ventilación, aire acondicionado y refrigeración, así
como sistemas de seguridad para edificios.
Este último sector nos presenta el siguiente equipo propuesto para eliminar
las cargas térmicas de dicho lugar por acondicionar:
92
UNIDAD MANEJADORA DE AIRE MARCA YORK, MODELO 36 x 63
Estas unidades presentan un control ambiental con gran desempeño para las
demandas del mercado actual. Esta línea está diseñada para abastecer
grandes áreas de trabajo como pueden ser: supermercados, edificios, cines,
aplicaciones industriales, tiendas comerciales, aeropuertos, etc.
La 36 x 63 se envía completa de las fábricas listas para su instalación sobre
el terreno. La unidad es prueba de presión vacía y le da una carga de
nitrógeno y la celebración incluye una carga inicial de aceite (R-22 o
refrigerante HFC-407C suministrado por otros). Después del montaje, una
prueba de funcionamiento se realiza para asegurar que cada dispositivo de
control funciona correctamente.
Presentan las siguientes características:
Cada unidad incluye compresores scroll herméticos
un condensador refrigerado por aire, y un resistente a la intemperie
La estructura de la unidad es de gran espesor, de acero galvanizado..
Están diseñados para una máxima eficiencia y estática y
dinámicamente equilibrada para un funcionamiento sin vibraciones.
Para operara a 460/3/60.
Capacidad nominal en toneladas de refrigeración 25 toneladas.
Para operación de 53-457Kw
Operación con refrigerante R22&HFC-407C
Para ambientes anticorrosivos
Sistema de tratamiento de aire con control de temperatura, humedad y
calidad
93
94
MARCA TRANE
Trane en México líder
en soluciones de confort para los consumidores
nacionales, desarrollando soluciones para eficientar la energía, el ambiente y
los negocios. Calidad y confiabilidad demostrada hacen de trane una de las
grandes empresas de aire acondicionado.
Los productos, sistemas y servicios Trane de ventilación, calefacción y aire
acondicionado, han sido diseñados para cubrir los requerimientos de ahorro
y consumo de energía. Al ofrecer aplicaciones de alta eficiencia, Trane
incorpora tecnología de la más alta calidad para productos residenciales e
industriales. Para los usuarios de inmuebles, Trane ofrece soluciones como
administración de instalaciones, mantenimiento predictivo y preventivo.
Trane, el negocio de sistemas y servicios de aire acondicionado de Am erican
Standard Companies, es el proveedor global de sistemas de confort de
interiores y soluciones integrales de instalación. Su oferta comercial incluye
sistemas de calefacción, sistemas de ventilación y aire acondicionado,
soporte de servicio y partes, así como sistemas avanzados de control.
Cada sistema Trane ha sido diseñado para alcanzar las necesidades
específicas de los consumidores que buscan calefacción, refrigeración,
deshumidificadores así como sistemas de limpieza del aire para aplicaciones
residenciales, comerciales, institucionales e industriales. Trane nos presenta
el siguiente producto:
UNIDAD MANEJADORA DE AIRE MARCA TRANE, MODELO YCUL0016
Presenta las siguientes características:
95
Área Gris, Sistema de tratamiento de aire con control de temperatura,
humedad y calidad del aire con Unidades manejadoras de aire de
expansión directa.
Compresor tipo scroll
Sistema de Aire Acondicionado para oficinas, auditorio y depósitos
Capacidad nominal en toneladas de refrigeración 25 toneladas
Equipo diseñado para operar con refrigerante R-410A para conseguir
altos coeficientes energéticos.
Para operación de 53-457Kw
Para ambientes anticorrosivos
96
MARCA FERROLI
Ferroli es hoy parte de un gran grupo industrial que ofrece soluciones
integrales para la climatización y el confort doméstico con un alto nivel de
integración industrial.
Ferroli está presente en los sectores de calefacción, aire acondicionado,
energía solar térmica y motores eléctricos.
Ferroli centra sus esfuerzos en la fabricación de productos de alta eficiencia
energética de Clase A, incorporando en nuestros productos gases ecológicos
R 410 A y R 134 A. Fruto de este compromiso nace el Observatorio Ferroli
para la
Sostenibilidad con el objetivo de convertirse en un punto de
referencia profesional en cuanto a la preocupación por el desarrollo
sostenible de nuestro planeta y a la búsqueda de soluciones en eficiencia
energética.
La política de distribución de Ferroli está especializada y centrada en el canal
profesional. Nuestro objetivo es garantizar el negocio de nuestros clientes,
ofreciendo productos de calidad industrial al mejor nivel, investigación, alta
tecnología, gran flexibilidad industrial, máxima integración de la producción,
competitividad y servicio. Ferroli o presenta el siguiente producto:
UNIDAD MANEJADORA DE AIRE MARCA FERROLI, MODELO CUBE
FTV
Que cuenta con las siguientes características:
Unidades de composición modular ara alta, media y baja presión
Dos tipos de formato horizontal y doble altura
97
Compuerta de regulación manual o motorizada persiana de protección
po simplemente embocadura de adaptación al conducto
Para operación de 53-457Kw
Filtros de superficie quebrada: filtro en zig zag para aumentan la
superficie de filtrado
Para operar a 460/3/50
Capacidad nominal en toneladas de refrigeración 25 toneladas
Sistema de Aire Acondicionado para oficinas, auditorio y depósitos
Operación con refrigerante R22
98
Los anteriores equipos cuentan calidad seguridad y cuidado del medio
ambiente, los anteriores equipos son conocidos por su fiabilidad y larga vida,
una excelente calidad ofrecen una clara ventaja todos para adquisición de
estos equipos. Los anteriores equipos
procuran mantener estos altos
estándares de calidad en los diferentes centros de producción, mejorando
aún más cuando sea posible, todos estos equipos están certificados por las
principales normas:
ISO 9000 El sistema de administración de calidad de Airwell Group conforme
los requerimientos de ISO 9000 – 2000, que trata todos los aspectos de los
procesos de los negocios desde el diseño hasta el abastecimiento, roductos,
instalaciones y mantenimiento.
ISO 9001 Como la calidad es uno de los factores clave para asegurar la
satisfacción del cliente, las instalaciones de son aprobadas por AFAQ en lo
que se refiere a el Sistema de Calidad de Administración ISO 9901. Este
certificado reconocido internacionalmente asegura estándares de calidad
para las manufacturas.
ISO 14001 ISO 14001 provee seguridad de que tienen un sistema de
administración medio ambiental efectivo en posición de controlar todas sus
actividades, productos y servicios que tienen un impacto en el medio
ambiente.
Underwriters Laboratories Los productos Group distribuidos en los EUA
son aprobados por el certificado de la Underwriters Laboratories (UL) que
Evalúa productos, componentes, materiales y sistemas conforme a los
requerimientos específicos.
99
CSA International En los EUA, CSA International que certifica productos
siguiendo protocolos estandarizados de prueba en laboratorios a través de
los EUA. Tan importante como lo anterior, las evaluaciones CSA son
aceptadas por la mayoría de los vendedores al detalle, fabricantes,
distribuidores reguladores y (specifiers) en todos los EUA y en los mercados
de exportación alrededor del mundo.
100
4.10 SELECCIÓN DE EQUIPO
Basándonos en las marcas y en las comparaciones económicas y calidad de
cada equipo, concluimos que la opción más adecuada es un equipo de
marca JONSHON CONTROLS YORK ya que el precio está ubicado en los
más bajos del mercado y su eficiencia y calidad además, operan con la
frecuencia de 60 hrz, nos indican que un equipo confiable
ya que este
equipo cuenta con una gran aceptación en el mercado mundial. Los otros
equipos son marcas europeas, sus costos son altos y conectarlos de
frecuencia de 60 a 50hrz tendría problemas y podrían sobrecalentarse y
ocasionar daños en el equipo.
Como ya sabemos las cargas térmicas de refrigeración de cada sección son
las siguientes:
Sección 1: documentación y vestíbulo principal
Sección 2: sala de última espera
Sección 3: sala de bienvenida y reclamo
101
Como observamos todas las cargas varían entre 46 y 50 toneladas de
refrigeración, y dado a la capacidad del equipo que tiene las siguientes
características:
Capacidad nominal: 300000 BTU/hr o 25 Toneladas de refrigeración.
Para operación a: 460/3/60 Hz
Sistema de tratamiento de aire con control de temperatura de 24°C y
humedad relativa de 50% y calidad
Refrigerante 22
Como vemos en las características, la capacidad nominal del equipo es de
25 Toneladas de refrigeración.
Por lo tanto se proponen 2 equipos para cada sección con capacidad de 25
toneladas de refrigeración lo que hace un total de 50 toneladas para cada
sección estando arriba del rango de las cargas térmicas de las secciones,
para evitar problemas de acondicionamiento y condiciones de confort.
Por lo tanto nuestro equipo seleccionado y para operación es el siguiente:
UNIDAD MANEJADORA DE AIRE MARCA YORK, MODELO 36 x 63
Equipos
unidad cantidad
Precio
Importe
unitario
UNIDAD MANEJADORA DE
AIRE
MARCA
YORK,
MODELO 36 x 63, CON
PZA
CAPACIDAD DE 300,000
BTU/HR, CON MOTOR DE 5
H.P., PARA OPERAR A
460/3/6O
102
6
66247.00
397748
Por lo tanto se instalaran 6 equipos en total: Siendo una inversión de
$397748.00 (pesos mexicanos).
103
CONCLUSION
Es casi imposible medir la carga térmica exacta de un local, pero si se lleva a
cabo un buen estudio del local se puede acercarse mucho a las cargas
térmicas reales.
Un buen estudio de las cargas térmicas y dependiendo del total nos lleva a
una buena elección de un equipo de aire acondicionado adecuado, nos evita
proponer equipos
refrigeración.
sobrepasados
o
insuficientes
de
capacidad
de
La experiencia y realización de este cálculo resultan de vital importancia no
solo para la formación profesional de nuevos ingenieros, si no para fomentar
en el estado el estudio más a fondo de la refrigeración, ya que el primer pasó
para acondicionar un lugar es el estudio de las cargas térmicas que afectan a
un lugar determinado.
104
ANEXO 1
TABLAS PARA APLICACION DE AIRE ACONDICIONADO
105
TABLA 1: CORRECCIONES EN LAS TEMPERATURAS DE CALCULO EN
FUNCIONES DE LA HORA CONSIDERADA.
106
TABLA 2: CORRECCIONES EN LAS CONDICIONES DE CALCULO EN
FUNCION DEL MES CONSIDERADO
107
TABLA 3: CONDICIONES DE CALCULO RECOMEDADAS PARA
AMBIENTE INTERIOR
108
TABLA 4-COEFICIENTES DE TRANSMISON GLOBAL K-PUERTAS,
CLARABOYAS, PUERTAS Y PAREDES EN BALDOSAS O ADOQUINES DE
VIDRIO.
109
TABLA 5-COEFICIENTES DE TRANSMISION K- TERRAZAS
110
TABLA 6-APORTACIONES SOLARES A TRAVEZ DE VIDRIO SENCILLO
111
TABLA 6-APORTACIONES SOLARES A TRAVEZ DE VIDRIO SENCILLO
112
TABLA 6-APORTACIONES SOLARES A TRAVEZ DE VIDRIO SENCILLO
113
TABLA 6-APORTACIONES SOLARES A TRAVEZ DE VIDRIO SENCILLO
114
TABLA 6-APORTACIONES SOLARES A TRAVEZ DE VIDRIO SENCILLO
115
TABLA 6-APORTACIONES SOLARES A TRAVEZ DE VIDRIO SENCILLO
116
TABLA 7: INFILTRACIONES POR LA PUERTAS Y VENTANAS EN
VERANO
117
TABLA 8: GANACIAS DEVIDO AL ALUMBRADO
118
TABLA 9: CALOR LATENTE Y SENSIBLE DICIPADO POR PERSONA
SEGÚN SU ACTIVIDAD
Grado de actividad
Sentado
Sentado trabajo ligero
Trabajo de oficina,
actividad moderada
Parados: caminando
despacio
Caminando: sentado,
de pie, caminando
despacio
Trabajo sedentario
Trabajo ligero
Baile moderado
caminando 3mph
jugando
Aplicación típica
Temperatura del cuarto
74°F
sensible
Latente
Teatro
Escuela
Oficinas, hoteles,
departamentos
Tiendas de ropa,
almacenes
Cafetería
Bancos
230
240
245
120
160
205
245
205
255
245
Restaurantes
Fabrica, trabajo ligero
Salas de baile, fabricas
trabajo algo pesado
boliche
280
205
325
380
525
270
455
525
620
925
119
TABLA 10: VENTILACION RECOMENDADA PARA DISTINTOS LUGARES
120
CARTA PSICOMETRICA
121
ANEXO 2
TABLAS DE CONDUCTIVIDADES TÉRMICAS Y COEFICIENTES DE
TRANSMISIÓN DE CALOR
122
ANEXO 3
PLANOS ARQUITECTONICOS
123
BIBLIOGRAFIA
PROCESOS DE TRANSFERENCIA DE CALOR; DONALD Q. KERN, MCGRAW
HILL
MANUAL DE AIRE ACONDICIOADO CARRIER; DE CARRIER CORPATION, MC
GRAW HILL
FUNDAMENTOS
DE
AIRE
ACONDICIONADO Y
REFRIGERACION;
EDUARDO HERNANDEZ GORIBAR, LIMUSA
TERMODINAMINA TOMO 1; YANUS A. CENGEL Y MICHAEL A. BOLES, MC GRAW
HILL
MANUAL DEL INGENIERO MECANICO TOMO 2; EUGENE A. AVALLONE Y
THEODORE BAUMEISTER, MC GRAW HILL
CENTRO NACIONAL DE METEOROLOGIA
124