Unidad 2

INSTITUTO TECNOLÓGICO SUPERIOR DE CHAMPOTÓN ASIGNATURA: REFRIGERACIÓN Y AIRE ACONDICIONADO PROFR: LUIS ALBERTO GARCÍA ALEJO ING. ELECTROMECÁNICA 8VO SEMESTRE ALUMNO: JOSÉ ISMAEL TORRES ONTIVEROS UNIDAD 2 AIRE ACONDICIONADO Y CONFORT

CONTENIDO INTRODUCCIÓN .................................................................................................... 3 CONTENIDO ........................................................................................................... 4 2 AIRE ACONDICIONADO Y CONFORT ........................................................... 4 2.1 TABLAS Y CARTA PSICROMÉTRICA. ........................................................ 4 2.2 ANÁLISIS DE LA CARTA PSICROMÉTRICA. ............................................. 5 2.3 PROCESOS DE CALENTAMIENTO-ENFRIAMIENTO CON HUMIDIFICACIÓN Y DES HUMIDIFICACIÓN DEL AIRE. .................................. 7 2.4 CREACIÓN DE LAS CONDICIONES DE CONFORT. ................................ 10 2.6 FACTORES DE CARGA DE CALOR. ......................................................... 12 2.7 CALCULO DE CARGA – RESIDENCIAL. .................................................. 13 2.8 CALCULO DE CARGA – COMERCIAL. ..................................................... 15 CONCLUSIÓN ...................................................................................................... 18 MAPA MENTAL .................................................................................................... 19 REFERENCIAS ..................................................................................................... 20

INTRODUCCIÓN

El aire acondicionado o acondicionamiento de aire, por lo tanto, es un proceso que consiste en un cierto tratamiento del aire de un lugar cerrado para generar una atmósfera agradable para quienes se encuentran en dicho espacio. Incrementar o reducir la temperatura y el nivel de humedad del aire suelen ser los objetivos más habituales, aunque el proceso también puede implicar una renovación o filtración del aire.

En el lenguaje cotidiano, la noción de aire acondicionado también se utiliza para nombrar a los sistemas o equipos que permiten llevar a cabo el mencionado proceso. Por ejemplo: “Por favor, enciende el aire acondicionado que me muero de calor en esta habitación”, “Tendremos que llamar a un técnico: el aire acondicionado está funcionando mal”, “El próximo verano compraremos un aire acondicionado para el dormitorio ya que así no se puede dormir”.

CONTENIDO 2 Aire acondicionado y confort 2.1 Tablas y carta psicrométrica. Una carta psicométrica, es una gráfica de las propiedades del aire, tales como temperatura, hr, volumen, presión, etc. Las cartas psicométricas se utilizan para determinar, cómo varían estas propiedades al cambiar la humedad en el aire.

Las propiedades psicométricas del aire que se describen en las tablas han sido recopiladas a través de incontables experimentos de laboratorio y de cálculos matemáticos, y son la base para lo que conocemos como la Carta Psicométrica.

Aunque las tablas psicométricas son más precisas, el uso de la carta psicométrica puede ahorrarnos mucho tiempo y cálculos, en la mayoría de los casos donde no se requiere una extremada precisión.

Como se mencionó al inicio de este párrafo, la carta psicométrica es una gráfica que es trazada con los valores de las tablas psicométricas; por lo tanto, la carta psicométrica puede basarse en datos obtenidos a la presión atmosférica normal al nivel del mar, o puede estar basada en presiones menores que la atmosférica, o sea, para sitios a mayores alturas sobre el nivel del mar.

En una carta psicométrica se encuentran todas las propiedades del aire, de las cuales las de mayor importancia son las siguientes: 1. Temperatura de bulbo seco (bs). 2. Temperatura de bulbo húmedo (bh). 3. Temperatura de punto de rocío (pr) 4. Humedad relativa (hr). 5. Humedad absoluta (ha). 6. Entalpía (h). 7. Volumen específico.

Conociendo dos de cualquiera de estas propiedades del aire, las otras pueden determinarse a partir de la carta.

1. Temperatura de Bulbo Seco.- Es la temperatura medida con un termómetro ordinario. Esta escala es la horizontal (abcisa), en la parte baja de la carta, según se muestra en la figura 13.12. Las líneas que se extienden verticalmente, desde la parte baja hasta la parte alta de la carta, se llaman líneas de temperatura de bulbo seco constantes, o simplemente «líneas de bulbo seco». Son constantes porque cualquier punto a lo largo de una de estas líneas, corresponde a la misma temperatura de bulbo seco indicada en la escala de la parte baja. 2. Temperatura

de

Bulbo

Húmedo.-

Corresponde a la temperatura medida con un termómetro de bulbo húmedo. Como ya se explicó

en

la

sección

anterior, es la

temperatura que resulta cuando se evapora el agua de la mecha, que cubre el bulbo de un termómetro ordinario. La escala de temperaturas de bulbo húmedo, es la que se encuentra del lado superior izquierdo, en

la

parte curva de la carta

psicométrica, como se muestra en la figura 13.13. Las líneas de temperatura de bulbo húmedo consta nt e s o l í neas de bulbo h ú med o, co rr e n diagonalmente de izquierda a derecha y de arriba hacia abajo, en un ángulo de aproximadamente 30o de la horizontal.

2.2 Análisis de la carta psicrométrica.

El estado termodinámico del aire atmosférico a cierta presión ya establecida se mide por medio de dos propiedades intensivas independientes. Una carta psicrométrica es una gráfica de las propiedades del aire, tales como temperatura, entalpia, volumen, presión. Las cartas psicrométricas se utilizan para poder estudiar como varían las propiedades al cambiar la humedad en el aire.

Existen tablas psicrométricas, igual a las termodinámicas que permiten una precisión más alta. Sin embargo, el uso de la carta nos ahorra tiempo y cálculos en los casos que no se requiera una exactitud. La carta es trazada con valores propuestos en la tablas psicrométricas, por lo tanto, la carta psicrométrica puede basarse en datos recogidos a presión atmosférica a nivel del mar, y de igual forma para presiones ligeramente menor o mayor a la presión a nivel del mar.

Bajo estas propiedades podemos entonces hallar el hecho que mencionamos anteriormente. Podemos manejar las propiedades a nuestro gusto. Aquí es donde entra la ASHRAE (American Society of Heating, Refrigerating and Air Conditioning Engineers) que define el acondicionamiento como: el proceso para tratar el aire, de manera que se controle la temperatura, humedad, limpieza y la forma en la que se distribuye en un espacio determinado y que cumpla con los requisitos de este.

Se indica de manera clara que para poder acondicionar un espacio es necesario 

Control de la temperatura



Control de la humedad



Filtración, limpieza y purificación del aire



Circulación y Movimiento del aire.

2.3 Procesos de calentamiento-enfriamiento con humidificación y des humidificación del aire. En ingeniería, muchos de los procesos que tienen lugar con las mezclas airevapor de agua conllevan operaciones de calentamiento o enfriamiento, humidificación o deshumidificación, y mezclas. La resolución de los problemas que se presentan con estos procesos requiere la aplicación de: a) el principio de conservación de la masa, b) el principio de conservación de la energía, y c) las propiedades de las mezclas airevapor de agua. Consideraremos que estos procesos son de flujo y estado estacionarios, siendo conveniente realizar los balances tomando como base de cálculo la unidad de masa de aire seco.

A. Mezcla de dos corrientes de aire húmedo.

En el diseño de un sistema de acondicionamiento de aire, es a veces necesario mezclar dos o más corrientes de aire para producir una mezcla final con una temperatura y humedad determinadas.

Si el proceso se realiza adiabáticamente, tal como se indica en la Figura 14.5, en las condiciones de flujo y estado estacionarios, el balance de energía es :

ma,1 . h1 + ma,2 . h2 = ma,3 .h3 (14.16)

Los balances parciales de masa son :

para aire seco : ma,1 + ma,2 = ma,3 (14.17) para el vapor: ma,1 . w1 + ma,2 . w2 = ma,3 . w3 (14.18)

De ellas, eliminando ma,3 , puede obtenerse:

ma,1 / ma,2 = (w3 - w2) / (w1 - w3) = (h3 - h2) / (h1 - h3) (14.19)

Por lo tanto, una vez situados en el diagrama psicrométrico los puntos 1 y 2, correspondientes a los gases que se van a mezclar, el punto 3, representativo de la mezcla resultante se encuentra sobre el segmento determinado por los otros dos, de modo que queda dividido en dos partes inversamente proporcionales a las masas de aire seco de las dos corrientes mezcladas (regla de la palanca). Puede suceder que el punto 3 quede a la izquierda de la línea de saturación. En este caso, durante el proceso de mezcla se condensará agua que, con frecuencia, permanece suspendida como gotitas de niebla en la corriente de salida.

B. Humidificación.

Un proceso de humidificación es aquél en el que se incrementa la humedad absoluta de un aire húmedo, aunque ello no lleva siempre consigo un aumento de la humedad relativa del mismo. Pueden considerarse dos tipos diferentes de procesos de humidificación : a) humidificación adiabática, también conocida como proceso de enfriamiento por evaporación, y b) humidificación con calentamiento.

A) Enfriamiento por evaporación

En climas cálidos, el aire atmosférico usualmente es caliente y seco (con humedad relativa baja). Para enfriar dicho aire, en lugar de hacerlo pasar por una sección de

enfriamiento, lo cual es bastante costoso, es posible aprovechar la baja humedad para obtener enfriamiento. Esto se logra haciendo pasar la corriente de aire por una sección con un atomizador de agua. (El efecto equivalente también puede obtenerse al hacer pasar aire por un lecho de filtros de cualquier tipo, en el cual el agua escurre).

Debido a la humedad relativa baja, una parte de la corriente de agua líquida se evapora. La energía de la evaporación proviene de la corriente de aire, por lo que éste se enfría. El efecto total es enfriamiento y humidificación de la corriente de aire. Como el aire está inicialmente seco, la humedad adicional que se agrega no empeora las condiciones ambientales. Esencialmente este proceso es equivalente al de saturación adiabática estudiado anteriormente.

Por tanto, la trayectoria del proceso sigue una línea psicrométrica, como se indica en la figura anterior. En este proceso existe una temperatura mínima que corresponde al estado de saturación 2' en la figura.

En este proceso y en los siguientes, ya no se van a presentar los balances de materia y energía, que son simples; en clases de problemas, se hará uso de ellos.

B) Humidificación con calentamiento.

En el invierno, o a grandes alturas, el aire atmosférico es frecuentemente seco y frío. El problema de ingeniería es aumentar tanto el contenido de agua como la temperatura del aire que entre a un edificio. La Figura 14.7 muestra un método que logra humidificación con calentamiento. La corriente de aire pasa primero por un serpentín de calentamiento y luego por una sección de pulverización, nebulización o atomización. El proceso 12 está bien determinado para la sección de calentamiento, pero el proceso 23 indicado en la figura tiene varios estados finales posibles. El estado 3 es función de la temperatura del agua que entra a la corriente de aire; casi siempre ambos tienen la misma temperatura.

Si es así, el proceso 23 será entonces un enfriamiento por evaporación, como se ha descrito anteriormente. Como alternativa se puede introducir vapor en vez de agua líquida, obteniéndose humidificación con calor adicional, como indica el estado 3' de la figura. Por supuesto, podría invertirse el orden del proceso con la introducción de agua seguida por calentamiento.

C. Deshumidificación.

En el proceso de deshumidificación se disminuye la humedad absoluta de un aire húmedo, y puede tener lugar con calentamiento o con enfriamiento.

Una condición bastante común en las construcciones industriales y residenciales, especialmente durante el verano, es la tendencia a las altas temperaturas y humedades relativas. Es bien conocida la incomodidad del organismo en tales condiciones. En la Figura 14.8 se muestra un importante método para disminuir la temperatura y la humedad simultáneamente.

2.4 Creación de las condiciones de confort. El confort térmico es la sensación que expresa la satisfacción de los usuarios de los edificios con el ambiente térmico. Por lo tanto es subjetivo y depende de diversos factores. El cuerpo humano “quema” alimento y genera calor residual, similar a cualquier máquina. Para mantener su interior a una temperatura de 37°C, tiene que disipar el calor y lo hace por medio de conducción, convección, radiación y evaporación. En la medida como se acerca la temperatura ambiental a la temperatura corporal, el cuerpo ya no puede transmitir calor por falta de un gradiente térmico, y la evaporación queda como única forma de enfriamiento.

Una de las funciones principales de los edificios es proveer ambientes interiores que son térmicamente confortables. Entender las necesidades del ser humano y las condiciones básicas que definen el confort es indispensable para el diseño de edificios que satisfacen los usuarios con un mínimo de equipamiento mecánico.

Factores

La producción de calor del cuerpo depende principalmente del nivel de actividad de la persona.

Para la disipación de calor, estos factores son críticos: 

Factores ambientales



Temperatura del aire



Humedad relativa del aire



Movimientos de aire



Temperatura media radiante



Factores personales



Vestimenta de la persona

La sensación térmica además depende fuertemente de las expectativas de la persona. Así que influyen el clima exterior, la estación del año y la hora del día, el asoleamiento, la iluminación y la calidad del aire interior, entre otros.

Las recomendaciones y normas pueden diferir bastante en los valores concretos para los factores ambientales. Esto se debe a la complejidad de las interacciones entre los diferentes elementos. Además, hay que considerar que la mayoría de los criterios fueros desarrollados para el caso de invierno, con temperaturas exteriores bajas y calefacción ambiental, y para ambientes de estadía permanente.

2.6 Factores de carga de calor. La carga térmica se define como la cantidad de calor que debe ser retirada del sitio por refrigerar para reducir o mantener la temperatura deseada. En un área por acondicionar, la carga térmica se debe eliminar mediante enfriamiento, el cual resulta de la suma de las cargas térmicas en las que están involucradas diferentes fuentes. Por su parte, para mantener fría una cámara y todo lo que esté contenido en ella, es necesario extraer el calor inicial y, luego, el que pueda entrar en ella, aunque se encuentre bien aislada. Según la American Society of Heating, Refrigeration and Air Conditioning Engineers (ASHRAE), para el cálculo de la carga térmica en cámaras de almacenamiento de alimentos son considerados los siguientes factores: • Transmisión de calor por la superficie • Calor que el alimento debe perder para alcanzar la temperatura deseada • Calor interno referente a personas • Lámparas y equipamientos, infiltraciones de aire • Calor de los moto-ventiladores y tiempo previsto de funcionamiento • Coeficiente de seguridad

El requerimiento total de refrigeración (Q total) puede establecerse como: Q total Q producto + Q otras fuentes. En la expresión anterior, los términos del segundo miembro tienen el significado que se presenta a continuación: Q producto. Representa los sumandos necesarios que tiene en consideración la carga térmica por eliminar, procedente del calor sensible, del calor latente de solidificación, de las reacciones químicas del embalaje y del calor absorbido para la congelación del agua de los alimentos o productos que se desea refrigerar. Q otras fuentes. Incluye, entre otros, los flujos de calor a través de los cerramientos de la cámara por transmisión de paredes, suelo y techo, la refrigeración para el aire exterior que se introduce, la ventilación, las cargas térmicas

debidas a ventiladores, bombas, iluminación eléctrica, personas que manipulan los productos, etc. Como el calor generado durante las 24 horas de un día se ha de extraer en un número de horas menor que las horas de funcionamiento diario, la potencia frigorífica de la maquinaria NR habrá de ser superior a la potencia Q total calculada para extraer durante las 24 horas. Su valor será: NR- Q total/ t

2.7 Calculo de Carga – Residencial. La ashrae reconoce la vigencia de cuatro métodos de cálculo de cargas térmicas para seleccionar la capacidad de los equipos de aire acondicionado. Los cuales se nombran a continuación:

Uno de los procedimientos mayor utilizados es el método de Función de Transferencia (tmf). Una versión simplificada de este método con aplicaciones para diferentes tipos de construcción fue publicado en el manual de fundamentos ashrae de 1977.

Este método tiene como fundamento el estimar las cargas de enfriamiento hora por hora, predecir las condiciones del espacio para varios sistemas, establecer programas de control y programas de operación.

El método de función de transferencia (tfm) es aplicado para el cálculo de flujo unidimensional de transferencia de calor en paredes y techos soleados. Los resultados debido a las variaciones de construcción se consideran insignificantes, se si toman en cuenta la carga de los componentes normalmente dominantes. La ASHRAE (1988) generó factores de decremento efectivos de calor y períodos de retraso de tiempo para 41 diferentes tipos de pared y 42 tipos de techo, que son presentados para utilizarse como coeficientes de función de transferencia.

El método de "Cálculo de Cargas por Temperatura Diferencial y Factores de Carga de Enfriamiento" (cltd/clf). Es el método que debe ser aplicado al considerarse como la primera alternativa de procedimiento de cálculo manual.

El método de Temperatura Diferencial para Carga de Enfriamiento es simplificado, por utilizar un factor "U" para calcular la carga de enfriamiento para techos y paredes, presentando resultados equivalentes. Así, la ecuación básica para carga de enfriamiento en superficies exteriores es: q = U * A (cltd).

El método de cálculo de carga por temperatura diferencial se basa en la suposición de que el flujo de calor a través de un techo o pared puede ser obtenido por multiplicar la temperatura diferencial (exterior - interior) por los valores tabulados "U" de techos y paredes, respectivamente.

Otro procedimiento usado para el cálculo de cargas térmicas es el de "Valores de Temperatura Diferencial Total Equivalente y Tiempo Promedio" (tetd/ta). La primera presentación de este método se hizo en el manual de fundamentos ashrae de 1967, este procedimiento es recomendado para usuarios experimentados.

Para calcular la carga de enfriamiento de un espacio usando la convención del tetd/ta, aplican los mismos procedimientos generales empleados para el tfm.

El cuarto método publicado es un capitulo especial de cltd/clf, utilizado para cálculo de cargas en residencias.

El aplicar el procedimiento TETD/TA en forma manual, especialmente el cálculo de promedio de tiempo, resulta tedioso en la práctica. Este hecho más el interés creciente en el TFM condujo a la ASHRAE a desarrollar el proyecto de investigación RP-158, con el objetivo original de comparar las diferencias y similitudes entre estos métodos (TEDT y TFM), para establecer un procedimiento común para ambos. Se obtuvieron técnicas automatizadas, que al utilizar el TETD/TA provee resultados

aproximados a la precisión del TFM con menor esfuerzo en cuanto a cómputos se refiere.

La técnica del CLTD evoluciona como una operación manual que involucra menos cálculos matemáticos y reemplaza el procedimiento de TETD/TA, para cálculos manuales; pero requiere el uso de tablas de factores precalculados. Proyectos de investigación subsiguientes (ASHRAE 1984, 1988) aclaran el alcance de aplicación efectiva de los factores utilizados para el método de CLTD.

2.8 Calculo de Carga – Comercial. Formas del flujo de calor El flujo de calor, que es generado por una diferencia de temperatura, puede presentarse en tres formas básicas, aunque en las aplicaciones de cálculo de carga térmica para la climatización generalmente no se ven en forma aislada; estas son:

Conducción: este flujo de calor se lleva a cabo entre dos cuerpos, o entre dos partes del mismo cuerpo, como el producto de una interacción molecular, entre las de mayor energía (mayor temperatura) y las de menor energía (menor temperatura), ya que la energía cinética de las moléculas es proporcional a su temperatura.

Radiación: este fenómeno se realiza en forma de ondas electromagnéticas y no necesita un medio físico para el transporte de energía. Cuando las temperaturas son altas tiene gran importancia debido a que es proporcional a la cuarta potencia de la temperatura.

Convección: este es un proceso combinado de transporte de energía, almacenamiento de la misma y transporte de materia. Se realiza entre sólidos y fluidos.

En la solución de problemas de transferencia de calor no debe únicamente conocerse el tipo de flujo de calor, sino también si el proceso es:

Aportaciones exteriores y de entorno

Corresponde a la captación de energía calorífica del exterior a través de las superficies de delimitan el volumen del local. Según el canal de transferencia de calor, podemos distinguir entre: 

Radiación a través de ventanas y lucernarios.



Transmisión a través de ventanas y lucernarios.



Transmisión a través de muros exteriores.



Transmisión a través de techos y suelos exteriores.



Transmisión a través de techos, suelos, muros interiores o colindantes a espacios no climatizados.

Además, junto a la superficie de transmisión de calor, también deben considerarse otros aspectos complementarios que influyen en la transferencia de energía.

En las aperturas, la permeabilidad de los cristales en función de la posición, la radiación incidente, la orientación y latitud, así como la conductividad de los marcos que las sustentan.

En los forjados y la parte opaca de la fachada, no podemos descuidar su masa y temperatura equivalente.

CONCLUSIÓN La función principal de acondicionamiento de aire, es mantener, dentro de un espacio determinado, de confort. O bien las necesarias para la conservación de un producto o para un proceso de fabricación.

El uso de la refrigeración y aire acondicionado, cada día se va incrementando y encuentra más aplicaciones; hace algunos años, el uso principal de la refrigeración era la producción de hielo, ahora la refrigeración es esencial, en la producción y distribución de alimentos, y para el funcionamiento de la industria alimenticia y química.

Con el aire acondicionado se vive más confortable y saludablemente. Y muchos procesos industriales se efectuaran de manera más eficiente.

Actualmente se ha incrementado en México, el uso del aire acondicionado por medio de las unidades paquete, las cuales están específicamente calculadas sobre la carga térmica disponible

MAPA MENTAL

REFERENCIAS 

Whitman, W. C., & Johnson, W. M. (2000). Tecnología de la refrigeración y aire acondicionado (Vol. 3). Editorial Paraninfo.

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Goríbar, E. H. (1997). Fundamentos de aire acondicionado y refrigeración. Editorial Limusa.

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Sánchez Ávila, J. L. (1999). Desarrollo y aplicación del diagnóstico y pronóstico técnico al mantenimiento de los sistemas centralizados de aire acondicionado (Doctoral dissertation, Tesis Doctoral, Universidad de Matanzas, Matanzas).

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Jennings, B. H., & Lewis, S. R. (1970). Aire acondicionado y refrigeración.

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Harper, G. E. (2003). Manual de instalaciones electromecánicas en casas y edificios: hidráulicas, sanitarias, aire acondicionado, gas, eléctricas y alumbrado. Editorial Limusa.