Diseño de Sistema de Acondicionamiento de Aire para Ambiente de Laboratorios de Empresa de...
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8/16/2019 Diseño de Sistema de Acondicionamiento de Aire para Ambiente de Laboratorios de Empresa de Producción Alimenticia
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UNIVERSIDAD NACIONAL EXPERIMENTAL POLITÉCNICA.
“ANTONIO JOSÉ DE SUCRE”.
VICE-RECTORADO BARQUISIMETO.
DEPARTAMENTO DE INGENIERÍA MECÁNICA.
DISEÑO DE SISTEMA DE ACONDICIONAMIENTO DE AIRE PARA AMBIENTE DE
LABORATORIOS DE EMPRESA DE PRODUCCIÓN ALIMENTICIA
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UNIVERSIDAD NACIONAL EXPERIMENTAL POLITÉCNICA.“ANTONIO JOSÉ DE SUCRE”.
VICE-RECTORADO BARQUISIMETO.
DEPARTAMENTO DE INGENIERÍA MECÁNICA.
Área de Conocimiento: MecánicaLínea de Investigación: Automatización de procesos termodinámicos y sistema de
gestión de fluido.
DISEÑO DE SISTEMA DE ACONDICIONAMIENTO DE AIRE PARA AMBIENTE
DE LABORATORIOS DE EMPRESA DE PRODUCCIÓN ALIMENTICIA
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AGRADECIMIENTOS
Primeramente doy gracias a Dios Todopoderoso y a la Virgen María Santísima
por darme vida, regalarme una maravillosa familia, bendecirme a cada instante, por estar
junto a mí en los momentos de alegría y de darme fuerzas para seguir adelante en los
momentos de dificultad. Gracias Diosito por regalarme la oportunidad de estudiar, ya que
muchos no la viven, gracias por estar conmigo estos 5 años de arduo esfuerzo y trabajo, sin
su presencia en mi día a día no hubiera podido alcanzar esta meta.
Doy gracias a mi papa Fred Hernández y mi mami Ivanna Ramos porque son mis
mayores héroes y ejemplo a seguir, su amor, comprensión, respeto, tolerancia, sacrificio
,orgullo, confianza han sido pilar fundamental para ser quien ahora soy, son mis mejores
amigos, le doy gracia a dios porque ustedes sean mis padres. Sin su guía, educación, ayuday apoyo incondicional no fuera nada de lo que soy ahora. Los amo con todo mi corazón. No
me cansaré de darles las gracias nunca. No existen palabras para describir el amor tan
grande que les tengo, y no existe mis letras que exprese el agradecimiento que les tengo.
Doy gracias a mi hermana Freily Hernández por todo el apoyo y ayuda que me ha
brindado durante todo este tiempo, gracias por aguantar mis locuras y amarguras, eres mi
mayor motivación y te doy gracias por ayudar a mantenerme firme en cada paso. Faltan
muchas cosas por vivir pero te doy gracias por estar junto a mí en el cumplimiento de esta
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Doy gracias Victor Salazar, Anthony Campos, Jorge Campos y Daniela Catari
por ser mis mejores y fieles amigos y ayudarme en el recorrido del cumplimiento de esta
gran meta, siempre están allí cuando los necesito, no sé qué sería de mi aquí en
Barquisimeto sino los fuera conocido, todavía estuviera perdida jeje. Gracias por el simple
hecho de ser quienes son y quererme a mí tal como soy.
Victor con todas y tus amarguras me has enseñado a ser más fuerte, cuanto te agradezco,
eres un amigo que no tiene comparación eres mi vii, mi colega, mi gran amigo mi gran
compañero fiel te amo viii.
Anthony Campos mi hermano que ha estado en las buenas y las malas te doy gracias
porque a pesar de la distancia siempre estás allí cuando te necesito, tú y tu familia han sido
soportes fundamentales en mi instancia en la ciudad de Barquisimeto gracias amigo te amo
un montón.
Jorge Campos mi segundo padre no existen palabras para decir cuánto te agradezco se
que solo estarás allí con una llamada por eso gracias infinitas, me has enseñado muchísimas
cosas, una de las primeras me enseñaste a estudiar desde el principio de mi carrera fue una
excelente bienvenida gracias a eso tuve un gran éxito durante mi carrera, de verdad mil
gracias padre confiable te amor un mundo.
Daniela Catari mi hermana, mi mejor amiga, mi preciosa compañera fiel, a pesar de
todos los obstáculos que hemos tenido nuestra amistad ha perdurado y perdurara con el
mismo amor gracias por ese apoyo incondicional durante estos 5 años te amo con toda mi
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ÍNDICE
ACTA DE APROBACIÓN ..................................................................................................... I
AGRADECIMIENTOS .......................................................................................................... II
RESUMEN ............................................................................................................................. 1
INTRODUCIÓN .................................................................................................................... 2
CAPÍTULO I ........................................................................................................................ 5
EL PROBLEMA ................................................................................................................ 5
Planteamiento del problema ........................................................................................... 5
OBJETIVOS DE LA INVESTIGACIÓN .......................................................................... 7
Objetivo General ............................................................................................................ 7
Objetivos Específicos ..................................................................................................... 7
JUSTIFICACIÓN E IMPORTANCIA ............................................................................... 8
CAPÍTULO II ..................................................................................................................... 10
MARCO TEÓRICO ......................................................................................................... 10
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Cálculo de las ganancias de calor por transmisión. ...................................................... 21
Cálculo de calor generado dentro del local. ................................................................. 22
Cálculo del calor proveniente del aire exterior. ............................................................ 24
Calculo del caudal de aire requerido. ........................................................................... 24
Factor del calor sensible del local (RSHF). .................................................................. 25
Factor de calor sensible total (GSHF). ......................................................................... 25
Temperatura del punto de rocío del aparato (ADP). .................................................... 25
Factor de Bypass (BF). ................................................................................................. 26
Factor de calor sensible efectivo (ESHF). .................................................................... 27
Obtención del caudal de aire exterior (CFMoa). .......................................................... 27
Condiciones del aire a la entrada y salida de la mezcla................................................ 27
Distribución de aire ...................................................................................................... 29
Métodos de cálculo de ductos....................................................................................... 30
Método de pérdida de carga constante o de igual fricción. .......................................... 30
Elementos terminales de impulsión .............................................................................. 30
Equipos de aire acondicionado. .................................................................................... 32
Equipos de expansión directa. ...................................................................................... 33
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Fase III diseño de un sistema de acondicionamiento de aire para ambiente de
laboratorios 37
CAPITULO IV ................................................................................................................... 39
ANÁLISIS DE LOS RESULTADOS .............................................................................. 39
Fase I diagnóstico de la situación actual de los laboratorios ........................................ 39
Condiciones de proyecto .............................................................................................. 39
Temperatura de bulbo seco: ......................................................................................... 39
Humedad relativa ......................................................................................................... 40
Temperatura de bulbo húmedo ..................................................................................... 40
Punto de rocío ............................................................................................................... 40
Humedad específica ..................................................................................................... 40
Fase II factibilidad técnico-operativa de la implementación del diseño de
Acondicionamiento de aire ........................................................................................................ 40
Fase III diseño de un sistema de acondicionamiento de aire para ambiente de
laboratorios 41
Estimación de la carga térmica ..................................................................................... 41
Ganancia de calor solar a través de vidrios. ................................................................. 41
Ganancia de calor solar y transmisión a través de puertas externas. ............................ 42
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Obtención del factor de bypass (BF). ........................................................................... 48
Factor de calor sensible efectivo (ESHF) ..................................................................... 49
Temperatura de punto de rocío del serpentín (ADP). ................................................... 49
Condiciones del aire de impulsión ............................................................................... 49
Capacidad total del sistema. ......................................................................................... 51
Distribución de aire ...................................................................................................... 71
Propuesta de Soportes .................................................................................................. 82
CAPITULO V ..................................................................................................................... 84
CONCLUSIONES Y RECOMENDACIONES ............................................................... 84
Conclusión .................................................................................................................... 84
Recomendaciones ......................................................................................................... 85
ANEXOS .............................................................................................................................. 88
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DISEÑO DE SISTEMA DE ACONDICIONAMIENTO DE AIRE PARA AMBIENTE
DE LABORATORIOS DE EMPRESA DE PRODUCCIÓN ALIMENTICIA.
RESUMEN
Con el fin de obtener un ambiente propicio de trabajo y cumplir con los requerimientos
de higiene de laboratorios de una Empresa de Producción Alimenticia, surge la necesidadde la realización de un diseño de acondicionamiento de aire bajo equipos compacto de
expansión directa. Este proyecto es de tipo factible, el cual fue realizado bajo el
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INTRODUCIÓN
El ser humano siempre se ha caracterizado por su tendencia a crear herramientas y
técnicas que faciliten la realización de sus actividades de la vida diaria, teniendo siempre el
objetivo de obtener resultados satisfactorios; parte de este logro se debe a la comodidad y el
confort que pueda brindar el lugar donde dichas personas se desempeñan diariamente, ya
sea en el hogar o en el lugar de trabajo. Suponiendo un sitio de trabajo, si el personal no se
siente cómodo o conforme en el área laboral, se produciría situaciones de bajo rendimiento,
influyendo por lo tanto en la productividad del organismo en relación, poniendo en riesgo
el avance y desarrollo del mismo; pero si de lo contrario, las personas se sienten a gusto con
el ambiente laboral, podrán desempeñarse de una manera óptima y así se tiene un máximo
rendimiento en estas, de tal modo cada labor será debidamente realizada generando
satisfacción en cada persona beneficiada.
Una de las cosas que hacen posible lograr obtener un ambiente propicio para la
realización de cualquier clase de actividad o trabajo es el acondicionamiento del aire; ésta
es una técnica que se utiliza desde hace mucho tiempo atrás, que se basa en tomar el aire
ambiental, extraerle su calor y su humedad para obtener aire más frio y un poco más seco;
la instalación de equipos que realicen este proceso, debido a los fuertes cambios climáticos
t d l l t i t l b l d d h i ñ h d j d l j
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Existen áreas como laboratorios que requieren de alta calidad de aire e higiene,
temperatura, humedad y presión controlada y otros por normativa, por lo tanto están en la
necesidad de tener algún sistema que les permita cumplir con esas necesidades.
Cabe indicar que de acuerdo a todo lo anteriormente planteado y en vista de controlar
ambientes de acuerdo a su requerimiento para conservar sus productos en los laboratorios
de una empresa de producción alimenticia se debe cumplir esta condición, ya que estos son
utilizados para el análisis de los productos finales en cuanto a los parámetros que estos
deben cumplir, los mismo están constituidos por cinco (05) áreas: Aduana que es el sitio
donde los trabajadores se colocan los elementos de seguridad para pasar a un espacio
llamado determinación de salmonella siendo este segundo el lugar donde se realizan
Análisis de Salmonella en los productos obtenidos según un tiempo determinado, el tercero
es Esterilización en el cual como su nombre lo indica se realiza la esterilización de las
herramientas a utilizar en determinación de salmonella, la cuarta es Pesaje cuya utilidad es
el de pesar tanta cantidad de productos vaya a ser analizado y por ultimo pero no menos
importante el área de Lavado donde se realiza el lavado de los instrumentos utilizados en
salmonella, los sitios nombrados anteriormente por su utilización requieren de condiciones
ambientales específicas como alta higiene, humedad relativa, temperatura, presión entre
otros, dados por norma, sanidad entre otras, por ende se nota la necesidad de que estaszonas deben tener un sistema que acondicione el ambiente de manera que permita el
cumplimiento de los requerimientos de cada una de estas por lo tanto se propone el diseño
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del diseño, además de exponerse las diferentes experiencias de otros proyectistas que
anteriormente han trabajado en este campo de la ingeniería. El Capítulo III, titulado Marco
Metodológico, trata sobre el tipo de investigación que se efectuó mediante este diseño,
basándose en las definiciones del Manual de Trabajos de Grado de Especialización,
Maestría y Tesis Doctorales, UPEL (2006); también se explica el desarrollo de este trabajo
mediante tres fases, para ser cumplidas en estricto orden.
De acuerdo a lo anteriormente expuesto, seguidamente se procede al análisis de los
resultados en el Capítulo IV titulado Resultados; en este capítulo finalmente se procede a la
realización del diseño en sí, explicando los procedimientos que se siguieron y exponiendo
los resultados obtenidos luego de su realización. Finalmente en el Capítulo V titulado
Conclusiones y Recomendaciones, como su nombre lo indica, se explican las conclusiones
obtenidas en base a la realización del diseño de aire acondicionado por equipos compactos
de expansión directa, además de dar una serie de recomendaciones de suma importancia al
momento de ser ejecutado este diseño.
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CAPÍTULO I
EL PROBLEMA
Planteamiento del problema
En nuestros climas tropicales durante los días de más calor, nuestros antepasados
buscaban refrescarse trasladándose a áreas cerca de la costa o las montañas. La otra
alternativa era aumentar la evaporación del sudor mediante el abanico de mano que fueinventado hace más de 4000 años. El abanico aumenta la circulación de aire sobre la piel.
Cabe indicar que unos de los primeros países en desarrollar el abanico para mover mayores
cantidades de aire fue China en el siglo II a cargo del inventor DingHuan desarrolló el
primer abanico que podía mover grandes masas de aire. Este se movía manualmente y con
un diámetro de aproximadamente 2 metros podía refrescar una habitación completa.
También se dice que en la antigüedad, los egipcios ya utilizaban sistemas y métodos
para reducir el calor. Se utilizaba principalmente en el palacio del faraón. Se supone que el
faraón disfrutaba de temperaturas alrededor de los 26° Celsius, mientras que afuera el calor
subía hasta casi el doble. Esta es una de las innumerables circunstancias que ejemplifican lo
que la humanidad ha tenido que enfrentar para satisfacer sus necesidades, de realizar sus
actividades en un ambiente adecuado.
Así mismo el doctor en medicina John Gorrie, en Estados Unidos de Norte América
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humanos, al igual que sucedió cuando se inventó el fuego. Esto ha permitido que el hombre
pueda vivir en ambientes considerados inhóspitos, con temperaturas que sobrepasan con
facilidad los 35º C, además de servir de gran ayuda en épocas de verano en ciudades de
mucho auge económico, que podrían considerarse en estos meses como inhabitables. En un
principio los equipos de aire acondicionado eran destinados solo a generar frío, sin
embargo, se agregó la necesidad de manejar el calor también, para calefacción en tiempos
de invierno, por lo que se usaron resistencias para generar calor (al igual que cualquier
estufa eléctrica).
Hoy en día los equipos de aire acondicionado son capaces de utilizar el mismo sistema
de refrigeración y calefacción, además estos pueden mejorar las condiciones de un entorno,
ya que eliminan las bacterias del ambiente entre otras cosas. Es así que estos equipos están
diseñados para mejoras las condiciones de un ambiente, lo que juega un papel muy
importante en la calidad de vida no solo de los hogares, sino que también de cualquier otrolugar donde se instalen equipos de este tipo. El aire acondicionado inventado por Willis
Carrier ha hecho posible el desarrollo de muchas áreas tropicales y desérticas del mundo,
que dependen de la posibilidad de controlar su medio ambiente.
Existen áreas como laboratorios que requieren de alta calidad de aire e higiene,
temperatura, humedad y presión controlada y otros por normativa, por lo tanto están en lanecesidad de tener algún sistema que les permita cumplir con esas necesidades.
Cabe indicar que de acuerdo a todo lo anteriormente planteado y en vista de controlar
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salmonella, los sitios nombrados anteriormente por su utilización requieren de condiciones
ambientales específicas como alta higiene, humedad relativa, temperatura, presión entre
otros, dados por norma, sanidad entre otras, por ende se nota la necesidad de que estas
zonas deben tener un sistema que acondicione el ambiente de manera que permita el
cumplimiento de los requerimientos de cada una de estas, por lo tanto se propone el diseño
de un Sistema de Acondicionamiento de Aire para ambientes de laboratorios de la empresa
de producción alimenticia y así satisfacer las exigencias ambientales de cada espacio
constituyente, mediante este sistema.
Según lo antes mencionado se plantean las siguientes interrogantes:¿El sistema de
acondicionamiento de aire mejorara las condiciones laborales y procesos llevados dentro de
las instalaciones?, ¿Al momento de la ejecución del proyecto se encontraran disponibles
todos los materiales, accesorios y dispositivos necesarios para su implementación?
OBJETIVOS DE LA INVESTIGACIÓN
Objetivo General
Diseño de sistema de acondicionamiento de aire para ambiente de laboratorios de
empresa de producción alimenticia
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JUSTIFICACIÓN E IMPORTANCIA
El ser humano necesita mantener una sensación física cómoda en el entorno en donde se
encuentra tomando en cuenta que el cuerpo humano reacciona al clima. Este confort se
logra gracias al acondicionamiento del aire en donde su propósito es mantener un ambiente
agradable. El acondicionamiento de un local tiene por objeto crear unas determinadas
condiciones de temperatura, humedad, movimiento del aire, control del calor y la
eliminación de partículas y gases mezclados en el aire a fin de que las personas que lo
habitan tengan una sensación de bienestar y que el espacio cumpla con las normativas
ambientales y de higiene que requieren . La mencionada sensación es, principalmente, el
resultado del intercambio de energía entre el cuerpo humano y su entorno. Este intercambio
se produce por evaporación, convección y radiación. Podemos ver que, únicamente en los
espacios habitados, es necesario mantener las condiciones ambientales necesarias para elconfort. De hecho las normativas sobre el acondicionamiento ya definen estos espacios, en
que debe garantizarse los criterios de bienestar, como zonas ocupadas.
Los laboratorios que tienen por nombre Pesaje, Aduana, Lavado, Esterilización y
Determinación de Salmonella necesitan de control ambiental por todo lo dicho
anteriormente ya que no existe ningún elemento que garantice la alta higiene que estosespacios exigen.
Por esta razón justificamos que el diseño del Sistema de acondicionamiento de aire sería
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estando dentro de la línea de investigación: Automatización de procesos termodinámicos y
sistema de gestión de fluido.
ALCANCES Y LIMITACIONES
El presente trabajo de investigación está limitado al enfoque documentario del Diseño
de sistema de acondicionamiento de aire para un ambiente de laboratorios. Para cubrir este
alcance se requiere:
La especificación de materiales y dimensiones de la ductería y accesorios del
sistema.
Dimensionamiento de Difusores de impulsión de aire y rejillas de extracción
de aire.
El diseño de soporte y sujeción del equipo
El diseño de soportes para ductería.
Para el diseño de los elementos nombrados anteriormente se tomarán como criterios de
diseño los requerimientos de la empresa en cuanto a las características del producto final.
Las limitaciones del proyecto serián:
El proyecto se encuentra limitado al estudio de las exigencias de las áreas
Aduana, Pesaje, Esterilización, Lavado y Determinación de Salmonella
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CAPÍTULO II
MARCO TEÓRICO
Antecedentes
Para sustentar teóricamente esta investigación se realizó la revisión de diferentes
trabajos, publicaciones e investigaciones que guardan relación con esta, entre las cuales seencuentran:
La investigación de López en el país de Guatemala (2007), el cual presento un trabajo de
grado titulado “Diseño e instalación de un sistema de ductería para la distribución de aire
acondicionado dado por cuatro manejadoras en almacenes Carrion” cuyo objetivo fue el
Desarrollo e instalación del sistema de ductería para cuatro manejadoras en Almacenes
Carrión, Centro comercial Plaza zona 4, Ciudad Guatemala. Este se baso en la modalidad
de proyecto factible apoyado en una investigación de campo utilizando como técnica la
observación directa y la entrevista no estructurada obteniendo los siguientes resultados.
El estudio de este proyecto se basó en el análisis físico del local, carga térmica y
selección adecuada de la distribución y suministros de aire en cada ambiente del local para
controlar la temperatura, humedad y movimiento del aire de manera más práctica.
El dimensionamiento de los ductos y conexiones fueron realizadas por el método de
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• Diseño del sistema de conductos
• Selección de los ramales auxiliares, de las rejillas y difusores.
• Construcción.
• Instalación.
• Arranque y prueba.
El sistema de acondicionamiento de aire está comprendido por un chiller Carrier
modelo 30GX-136---630CA enfriado por agua, utiliza dos bombas marca Bell&Gossett de
10 Hp y un sistema de tubería para el circuito del agua distribuido a cuatro manejadoras
Carrier de modelo 39THWQAA. El chiller trabaja con refrigerante HFC 134a y dos
compresores de tornillo semi-hemético lo cuales son elementos principales que comprenden
al sistema.
El aire acondicionado para la planta baja estará distribuido por las manejadoras 1 y 2
que tienen una capacidad de 15,000 CFM cada una, mientras que la planta alta estarádistribuida por las manejadoras 3 y 4 con capacidad de 20,000 CFM cada una.
Del anterior trabajo se tomaran en cuenta aspectos teóricos así como algunos de los
criterios de diseño para el desarrollo de este trabajo.
Siguiendo la misma línea de investigación, se encuentra que Álvarez (2008),quien
realizó un trabajo de investigación del tipo descriptiva con la modalidad de proyectofactible, el cual tiene como título “Diseño de un sistema de aire acondicionado para un
terminal de pasajeros”; éste tuvo como objetivo general “Diseñar un sistema de aire
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comodidad y un buen ambiente laboral a todas las personas que pertenecen a la comunidad
trabajadora de este ente de servicio público.
Del estudio nombrado anteriormente se considerara la manera de análisis referente a
dimensionamiento de ductería, rejillas y de las características tomadas en cuenta al
momento de la selección del equipo entre otros, además hacen notar la importancia y gran
utilidad de los sistemas de acondicionamiento de aire, ya que estos permiten lograr
satisfacer las necesidades de las personas que se desenvuelven en un entorno específico.
En este mismo orden de ideas se considera el trabajo realizado por Trejo y Reyes(2009)
titulado “Cálculo y selección del equipo de un sistema para aire acondicionado para un
teatro en Puerto Vallarta, Jalisco” cuyo objetivo era diseñar e implementar un sistema de
aire acondicionado para producir el tratamiento de aire ambiente del teatro de puerto
Vallarta, Jalisco de tal manera que se controle simultáneamente la temperatura, humedad,
limpieza y distribución de aire para satisfacer las necesidades de los usuarios del local.Manteniendo una temperatura de 24°c en el interior, así como una humedad relativa de
55%. Este se basó en la modalidad de proyecto factible apoyado en una investigación de
campo utilizando como técnica la observación directa y la entrevista no estructurada
obteniendo los siguientes resultados.
El estudio se realizó basado en las condiciones externas e internas del lugar, ubicacióngeográfica, cantidad de ocupantes, tipo de alumbrado y orientación del local,
considerándose así cada uno de estos aspectos en el desarrollo del trabajo y así poder
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El aporte de este trabajo a la presente investigación es la forma como realizo la selección
de los diferentes equipos que conforman el sistema de aire acondicionado.
Bases teóricas
Cuando se va a realizar cualquier tipo de trabajo en cualquier ámbito una de las mayores
cosas a considerar es el buen manejo de la información referente al área en estudio, en este
caso en particular es necesario ciertos conceptos concerniente a los sistemas de
acondicionamiento y todo lo que esto engloba, por consiguiente se presenta una serie de
concepto que se creen necesarios conocer antes del seguido desarrollo de este proyecto
Es importante comenzar por definir y describir lo que es acondicionamiento de aire,
claramente explicado en el libro titulado Aire Acondicionado del autor Carnicer, E. (2006)
y en el Manual de Aire Acondicionado, Carrier (1992).
Acondicionamiento de aire
Este término se refiere al proceso de tratamiento de aire atmosférico que coordina los
cinco factores que le son propios, sumando el nivel sonoro para que el ocupante de un
ambiente con aire acondicionado se encuentre acogido confortablemente.
Los agentes a combinar son:
Temperatura: La temperatura es una medida de la energía cinética de los átomos o
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perfecto desplazamiento del aire en sus inmediaciones. Una velocidad muy alta
produce un efecto desagradable, que se hace difícil de soportar por tanto más cuanto
más frio sea el aire. Por el contrario, una velocidad ahogo, de falta de aire que
ocasiona incomodidad.
Limpieza del aire (filtrado): La filtración del aire que se va a respirar constituye uno
de los asuntos más relevantes en las instalaciones de climatización, puesto que la
cantidad de materias contaminantes que proliferan el aire atmosférico es muy
variable y no tienen todas las mismas dimensiones; la filtración del aire debe
acoplarse a las necesidades reales del local que se va a dotar de aire acondicionado,
pues no todos requieren de la misma eficacia de filtrado.
Ventilación (renovación del aire): La finalidad de la ventilación es sustituir el aire
contaminado (con un elevado número de polvo, humo, bacterias y olores) por otro
aire limpio mucho más conveniente para la respiración y su contribución al bienestar puede ser importante como la que proporciona la temperatura y humedad.
Los cálculos para el diseño de un sistema de aire acondicionado por agua helada se
encuentran establecidos en tres partes, primeramente se realiza el cálculo de la carga
térmica del local a acondicionar de acuerdo a diferentes parámetros de los cuales este
depende, luego se procede a la realización de la distribución de aire requerido para
acondicionar cada zona del local propiamente dicho y al cálculo de las dimensiones de la
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psicrométricas o de la carta psicrométrica. Los conceptos de mayor relevancia, necesarios
de manejar y definidos por el Manual de Carrier son los siguientes:
Humedad relativa: Es un término utilizado para expresar la cantidad de humedad en
una muestra dada de aire, en comparación con la cantidad de humedad que el aire
tendría, estando totalmente saturado y a la misma temperatura de la atmosfera. La
humedad relativa se expresa en porcentaje. De acuerdo a la ASHRAE, la humedad
relativa se define como la fracción mol de vapor de agua presente en el aire, con la
fracción mol de vapor de agua presente en el aire saturado, a la misma temperatura
y presión.
Punto de rocío: Uno de los conceptos más empleados para señalar el grado de
humedad del aire ambiente es el punto de rocío, que se distingue por las siglas PR.
El punto de rocío determina una temperatura “t” a la cual el aire llega al punto d e
saturación; es decir, el aire se convierte en aire saturado. No se produciráncondensaciones si la temperatura del aire se mantiene por encima del punto de rocío
(PR).
Entalpia: Es la cantidad de energía de un sistema termodinámico que éste puede
intercambiar con su entorno. En un cambio de fase, por ejemplo de líquido a gas, el
cambio de entalpía del sistema es el calor latente, en este caso el de vaporización.En un simple cambio de temperatura, el cambio de entalpía por cada grado de
variación corresponde a la capacidad calorífica del sistema a presión constante
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Calor Sensible: Es la cantidad de calor que se debe suministrar a una sustancia para
aumentar su temperatura. Este se puede medir o sentir, provoca el cambio de
temperatura de una sustancia pero no un cambio de estado; las sustancias al estar en
estado sólido, líquido o gaseoso, contienen calor sensible hasta cierto grado,
siempre que sus temperaturas sean mayores que el cero absoluto.
Calor Latente: El calor latente o de cambio de estado, es la energía requerida por
una sustancia para cambiar de estado, de sólido a líquido (calor de fusión) o de
líquido a gaseoso (calor de vaporización). Al cambiar de gaseoso a líquido y de
líquido a sólido se libera la misma cantidad de energía.
Transferencia de calor: Es el proceso por el que se intercambia energía en forma de
calor entre distintos cuerpos, o entre diferentes partes de un mismo cuerpo que están
a distinta temperatura. El calor se transfiere mediante la convección, la radiación o
la conducción. Aunque estos tres procesos pueden tener lugar simultáneamente, puede ocurrir que uno de los mecanismos predomine sobre los otros dos.
Conocer los fundamentos de la transmisión de calor permite determinar las pérdidas
o ganancias que se producen en el local que se acondicionara. Entre el interior y el
exterior de un local acondicionado existe una diferencia de temperatura y humedad. El
interior del local tenderá a ceder o absorber calor según su temperatura interior sea
menor o mayor que la exterior.
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Cargas Exteriores
Las cargas exteriores consisten en:a. Rayos del sol que entran por la ventana: La ganancia de calor solar suele reducirse por
medio de pantallas en el interior o exterior de las ventanas. Debe tenerse en cuenta que toda
o parte de la ventana pueda estar sombreada por los salientes o por edificios próximos.
b. Rayos del sol que inciden sobre las paredes y techo: Estos, junto con la elevada
temperatura del aire exterior, hacen que afluya el calor en el espacio acondicionado.
c. Temperatura del aire exterior: Una temperatura del ambiente exterior más alta que la del
interior, hace que el calor fluya a través de las ventanas, tabiques y suelos.
d. Presión del vapor de agua: Una elevada presión de vapor de agua alrededor del espacio
acondicionado, hace que el vapor fluya a través de los materiales que constituyen el
edificio. Esta carga solo es apreciable en los casos de bajo punto de rocío interior.
e. Viento que sopla contra una pared del edificio: El viento hace que el aire exterior, con
mayor temperatura y contenido de humedad, se infiltre a través de las rendijas de puertas y
ventanas, con lo que resulta una ganancia de calor latente y sensible. Toda o parte de esta
infiltración puede anularse por el aire que se introduce a través del aparato de
acondicionamiento a efectos de ventilación.
f. Aire exterior necesario para la ventilación: Generalmente, se necesita aire exterior para
renovar el interior y suprimir olores. Este aire de ventilación impone al equipo de
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acondicionador. Generalmente, las ganancias internas provienen de algunas (o todas) de las
siguientes fuentes:
a. Personas: El cuerpo humano, en razón de su metabolismo, genera calor en su interior y lo
cede por radiación, convección y evaporación desde su superficie, y por convección y
evaporación a través del sistema respiratorio. La cantidad de calor generado y disipado
depende de la temperatura ambiente y del grado de la temperatura de la persona.
b. Alumbrado: Los elementos de iluminación convierten la energía eléctrica en calor y en
luz. Una parte de este calor es radiante y se almacena radialmente y parcialmente.
c. Utensilios: Los restaurantes, hospitales, laboratorios y determinados establecimientos
tienen aparatos eléctricos de gas o de vapor que desprenden vapor que afectan
considerablemente al calor dentro del local.
d. Maquinas eléctricas de calcular: Se consulta los datos de fábrica para valorar la ganancia
de calor procedente de las maquinas eléctricas de calcular. Estas máquinas pueden estartambién cubiertas o tener refrigeración interna parcial lo cual reduce la carga impuesta al
equipo de acondicionamiento.
e. Motores eléctricos: Los motores eléctricos constituyen una carga muy importante en las
instalaciones industriales, por lo que debe hacerse un cuidadoso análisis respecto a las horas
de trabajo y su capacidad antes de hacer una estimación de la carga. Frecuentemente noconstituyen problema la medida de esta carga en las instalaciones existentes y debe hacerse
siempre que sea posible
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la distribución del aire o el agua en el sistema, generan calor. También se añaden calor
cuando los conductos de impulsión de aire o de retorno atraviesan espacios más calientes.
En los conductos de impulsión pueden producirse fugas de aire frio y en los de retorno,
fugas de aire caliente.
Cálculo estimado de carga térmica.
Determinación de condiciones exteriores
De los datos climatológicos aportadas por el servicio de meteorología de la Aviación
Militar Bolivariana de Venezuela en su página web, se busca cual es la máxima absoluta de
las temperaturas del bulbo seco (t00 TBS) y se estudiara el mes que tenga la mayor. De este
mes se utiliza la humedad relativa (HR) mínima media. Con estos valores entramos en la
carta Psicométrica y se determinan las demás condiciones: temperatura del bulbo húmedo
(TBH), punto de rocío (PR), humedad especifica (HESP) y entalpia (H).
Determinación de condiciones interiores
Para el interior de cada local se asumen o se determinan las condiciones de confort entre
23°C y 25°C (73,4°F y 77) y una humedad relativa comprendida entre el 45 y el 60 %,
según el Manual de aire acondicionado Carrier. Según Cengel (2003), una forma más
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factor que aporte mayor ganancia de calor. En nuestro caso (Venezuela), se utiliza para el
caso de vidrios (anexo 3) para 10° latitud Norte.
Cálculo de la ganancia de calor solar por radiación a través de vidrios.
Son las ganancias de calor obtenidas a través de radiación solar sobre el vidrio. La
ganancia de calor así obtenida, va a depender de su situación geográfica (latitud), de la
fecha y hora, y de su orientación. “El cristal ordinario absorbe una débil proporción de la
radiación (5 a 6 %) y refleja o transmite el resto. La magnitud de calor reflejada y
transmitida depende del ángulo de incidencia” (Carrier: 1974). Los valores del anexo3,
“Solar Heat Gain Thru Ordinary Glass” comprenden los valores de la radiación, como el
porcentaje de calor absorbido por el cristal y transmitido al local. Por tanto, se calcula el
área ocupada por los vidrios de las ventanas en cada una de las orientaciones geográficas y
se multiplica por el factor de ganancia solar correspondiente a la tabla 15 correspondiente al
día y hora pico establecido anteriormente.
También se multiplica por otros factores dependiendo del tipo de vidrio, color y sombra
y/o dispositivos de sombra, que disminuyen la ganancia de calor (anexo 3), según la
relación:
q = A x solar Gain factor x factor de sombra
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ganancias no solo se van a deber a la diferencia de temperatura, sino también al calor
absorbido, por lo que dicho flujo varía según las diferencias de temperatura y de insolación.
Por lo tanto, se introduce el concepto de diferencia de temperatura equivalente, definida
como “la diferencia de temperatura entre el aire interior y exterior capaz de producir un
flujo de calor total a través de la estructura originado por la radiación solar variable y la
temperatura exterior” (Carrier: 1974); la cual toma en cuenta los materiales de
construcción, orientación, situación geográfica, y condiciones del proyecto. Este flujo se
calcula por la ley de transferencia de calor, mediante la relación:
q= U. A. Δte
Dónde:
q: flujo de calor BTU/h
U: coeficiente global de transmisión de calor en BTU/ (h*pie2*F)
A: área de la superficie en pie2
Δte: diferencia de temperatura equivalente en Fahrenheit.
Se calcula el área proyectada de la pared (sin incluir la ocupadas por las ventanas) en
cada una de las orientaciones según se ubiquen las paredes de la edificación con los puntos
cardinales. El área resultante se multiplica por los factores de las tablas de temperatura
equivalente, basadas en el color de la pared, el “pico”, el peso de la pared por superficie y
la orientación correspondiente (anexo 4). Los valores anteriores se multiplican también por
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no están en contacto directo con el sol. En el caso de vidrios, se considerará los de las
ventanas que estén o no bajo sol, es decir, todos los vidrios aun cuando estos estén bajo la
radiación directa del sol (vidrio exterior), es decir, donde haya una diferencia de
temperatura con el exterior o con un ambiente no condicionado. Para dicho calculo, se
determinan las áreas involucradas y se multiplican por las diferencias de temperatura
existente. Por la ley de transferencia de calor de Fourier, la ecuación a utilizar es:
q=U.A. Δt
Dónde:
q: flujo de calor BTU/h
U: coeficiente global de transmisión de calor en BTU/(h*pie2*F)
A: área de la superficie en pie2
Δt: diferencia de temperatura en Fahrenheit.
Cálculo de calor generado dentro del local.
Corresponden a la suma de las ganancias, tanto de calor sensible como de calor latente,
generadas dentro del local, sin tomar en cuenta las ganancias provenientes del aire exterior
impulsadas por el serpentín o por infiltraciones. Estas pueden ser generadas por: personas,
luces y artefactos entre otros, además de las provenientes por ganancias de calor solar y/o
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luz, mientras que otro 25% se disipa por radiación hacia las paredes y el resto por
conducción y convección. Para determinar la ganancia de calor, se aplican las siguientes
ecuaciones:
q luces fluorescentes = N° watts luces fluorescente x (3.41 Btu/h*watts) x 1,25
q luces incandescentes = N° watts luces incandescentes x (3.41 Btu/h*watts)
En el caso de los artefactos o aparatos eléctricos, solo emiten calor sensible en función
de su utilización, mientras que, a causa de la combustión, los aparatos de gas producen
calor latente suplementario.. Una de las formas para determinar también la carga del calor
de aparatos eléctricos, es multiplicar la potencia en vatios (anexo7) por 3.4 BTU/(watts x
h), según la relación:
q Artefactos = N° watts artefactos x (3, 41 Btu / h* watts)
Por otra parte, el motor del ventilador localizado en el serpentín del aparato de aire
acondicionado, se considera también para el cálculo de calor interno. La cantidad de BTU/hgenerado por este, se estima según la tabla de “Ganancia de calor por motores eléctricos”
(operación continua) del manual de fundamentos ASHRAE (1972) (anexo 8) en el
momento de realizar el cálculo se estima de cuantas toneladas va a ser el equipo, y se
selecciona un motor de X HP. Los valores admitidos de esta forma deberán verificarse
después del cálculo completo de la instalación, dependido del equipo escogido. Lasrelaciones utilizadas son:
Tabla 1 Relación entre la potencia del motor de un ventilador en HP y la capacidad
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Cálculo del calor proveniente del aire exterior.
Las ganancias de calor sensible provenientes del aire exterior (OASH) es igual al producto del caudal de aire fresco que entra al local en pies cúbicos por minuto, por la
diferencia de temperatura entre las condiciones externas y las internas del local, por un
factor de conversión tal como se muestra en la ecuación:
OASH = CFMoa x (t∞-tm) x 1, 08
Dónde:
OASH: ganancia de calor sensible por el aire exterior.
CFMoa: caudal de aire fresco o exterior.
t∞: temperatura del exterior.
tm: temperatura del interior.
La ganancia de calor latente del aire exterior (OALH) es igual al producto del caudal de
aire fresco que entra al local, por la diferencia de humedad específica entre las condiciones
exteriores e interiores, por un factor de conversión. En la relación siguiente se puede
apreciar.
OALH = CFMoa x (W∞-Wm) x 0,68
Dónde:
OALH: ganancia de calor latente por el aire exterior.
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Factor de calor sensible del local RSHF.
Factor de calor sensible total GSHF.
La temperatura del punto de rocío del aparato ADP.
Factor de bypass BF.
Factor de calor sensible efectivo ESHF.
Factor del calor sensible del local (RSHF).
Es la razón del calor sensible del local (RSH) entre el calor total del local (RTH), el cuales la suma del sensible más el latente (RLH). Y se determina por:
Factor de calor sensible total (GSHF).
Es la relación entre el calor sensible total y el balance térmico de la instalación,
incluyendo todas las cargas de calor sensible y latente que proceden del aire exterior. En
otras palabras, es la relación entre el calor sensible total (TSH) y el calor total (GTH), el
cual es la suma del calor sensible total y el latente total (TLH). Se determina según la
ecuación:
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iguales” (Carrier 1974). Utilizando la tabla 65 Carrier (1987) (Anexo 9), el valor del ESHF
y las condiciones interiores del diseño, se determina el punto de rocío del aparato (ADP).
Factor de Bypass (BF).
El factor de bypass representa el porcentaje de aire que pasa por el serpentín sin sufrir
cambio alguno, es decir, el porcentaje de aire que no toca la superficie del serpentín y que
por lo tanto no es enfriado, ya que, no se establece el intercambio de transferencia de calor.
Este factor depende del diseño o las características físicas del serpentín, por lo que su
superficie externa de intercambio (número de aletas por pulgada y numero de tubos) y la
velocidad con que el aire lo atraviesa (que influye con el tiempo de contacto con la
superficie) afectan el factor de bypass, de tal manera que, a una disminución de esta
superficie corresponde un aumento del BF y a una disminución de la velocidad corresponde
otra disminución del factor de bypass. El factor de bypass influye en el equipo, tal y como
lo expresa Carrier (1987) de la manera siguiente:
1.
Factor de bypass más bajo.
ADP más alto. Temperatura de evaporación más alta en el caso de equipos de
expansión directa.
Menor caudal de aire, y por lo tanto, motor y ventilador de menor potencia.
Mayor superficie de intercambio.
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Factor de calor sensible efectivo (ESHF).
El ESHF permite determinar el caudal y determinar los equipos más fácilmente, ya queeste relaciona el balance térmico con el ADP y el BF del equipo. El SHF efectivo es la
relación entre las ganancias sensibles efectivas del local y la suma de las sensibles y
latentes efectivas. Estas ganancias efectivas están constituidas por las ganancias del local
más las correspondientes a las del caudal de aire que pasa por el serpentín sin que su estado
se modifique. Se determina mediante la fórmula siguiente.
Obtención del caudal de aire exterior (CFMoa).
El caudal de aire fresco externo se puede seleccionar de varias formas, dependiendo del
criterio utilizado por el diseñador y las condiciones de diseño. Unas de ellos lo son:
Por medio de la tabla de requisitos para ventilación del manual de fundamentos de
la ASHRAE (Anexo 12), la cual se basa en el número de personas y la aplicación
del área a ser acondicionada. Simplemente se multiplica los (Pies3/min) /persona, de
la tabla, por la cantidad de personas y se obtiene el caudal CFMoa.
Por medio de la tabla del Carrier (1987) (Anexo 12) y el caudal por superficie
CFM/pie2, la cual se utiliza para determinar los caudales de aire fresco mínimos y
recomendados según la aplicación considerada. También se utiliza la relación
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PCMt: Pie Cubico por minuto de aire tratado:
Temperatura del bulbo húmedo a la entrada de la mezcla (WB1):
Este se calcula de la siguiente manera:1. Se ubican los puntos de bulbo seco exterior sobre la curva de humedad relativa 60% y
bulbo seco interior sobre la curva de humedad relativa 50%.
2. Se traza una línea interceptando los puntos hallados en el paso anterior.
3. Se ubica el punto de la temperatura del bulbo seco de entrada de la mezcla DB1, y se
intercepta el mismo con la línea trazada en el paso anterior.
4. Luego de ubicado el DB1 sobre la línea, vamos en forma inclinada ascendente izquierda,
y con esto obtenemos la temperatura del bulbo húmedo de entrada WB1.
Temperatura del bulbo seco a la salida de la mezcla (DB2)
Esta se calcula de acuerdo a la siguiente forma:
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Distribución de aire
En el diseño de un sistema de distribución de aire (ductería) de un ambiente, es
importante el cálculo de sus dimensiones a lo largo de toda su longitud, pues la variación de
la sección está en función del caudal de aire a entregar en cada ambiente que requiera de
aire acondicionado. De acuerdo con la información suministrada por Brito, C. (2007) en su
libro titulado Manual de Aire Acondicionado y Refrigeración, se imponen como pasos a
seguir los siguientes, para la realización de este diseño:
1. Trazar la red de ductos (unificar en plano). Estos deben seguir en lo posible la ruta
más directa, considerando la facilidad en el montaje y evitando a su vez los cambios
de dirección pronunciados, y recomendándose centrar en cada ambiente la descarga
del ducto.
2. Establecer la carga térmica por ambiente para obtener el caudal de aire
acondicionado necesario por el ambiente, esto se obtiene relacionando la carga
térmica total obtenida con los metros cuadrados totales del ambiente que se está
acondicionando.
3.
Calcular el tamaño de cada una de las secciones de la ductería de acuerdo uno de los
tres métodos existentes, ya sea el método de velocidad constante, fricción constante
o el método de recuperación estática.
Definido por el Manual de Aire acondicionado Carrier (1972), la misión de un sistema
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Métodos de cálculo de ductos.
Por regla general, en el proyecto de cualquier sistema de conductos, se procura que en el
tendido de conductos sea lo más sencillo posible y simétrico (Carrier, 1972). Los elementos
terminales o bocas de impulsión se sitúan en puntos adecuados para proporcionar una
correcta distribución del aire. Los conductos se tienden para conectar estas salidas, evitando
las obstrucciones del edificio, o del equipo industrial en su caso. El cálculo de un sistema
de baja velocidad puede hacerse por uno de los tres métodos siguientes:
1. Asignación de velocidad.
2. Igualdad de pérdidas por rozamiento o pérdidas de carga constante.
3. Recuperación estática.
El método de pérdida de carga constantes es el más recomendado y con el cual se realizó
el diseño para efectos de este trabajo.
Método de pérdida de carga constante o de igual fricción.
Este método se basa en establecer una misma perdida de presión por unidad de longitud
para todo el sistema de ductos. El procedimiento de cálculo consiste primeramente en fijar
una velocidad inicial, como lo establece la tabla de velocidades máximas recomendadas por
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juicio, ya que los niveles de ruido y caída de presión permisible pueden variar notablemente
con el uso del espacio, la ubicación de obstáculos y altura disponible para el montaje. Se
sugiere tomar las siguientes consideraciones:
1.
El sonido por las rejillas mismas es insignificante hasta los 800ppm de velocidad. El
sonido de ventiladores y vibraciones a través de los ductos pueden ser transmitidos
a los espacios ocupados, se debe considerar el aislamiento, tanto acústico como de
vibraciones.
2.
Velocidades de aire en un espacio, por debajo de 15ppm, producen una sensación de
estancamiento, velocidades por encima de 65 ppm, crean corriente de aire, que
molestan.
3. Puede ser necesario desviar el aire hacia arriba cuando las salidas están colocadas
mucho más abajo del techo, para que se obtengan tiros de aire adecuados.
Cálculo de las dimensiones de las rejillas y difusores para suministro, retorno y/o
extracción.
Para determinar las dimensiones de las rejillas, se debe conocer el caudal de aire que se
va a utilizar en el diseño. Este puede ser el que se determinó con el cálculo térmico y las
relaciones psicométricas, en el caso en que se utilice un equipo “mandado a hacer” o el que
se obtiene en los catálogos de los fabricantes con equipos ya existentes. Luego los pasos a
seguir son los siguientes:
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habitación a criterio, considerando las cargas térmicas en cada zona o área en base a
ventanales, luces, número de personas y actividades que realizan, tal como se
consideró en el cálculo térmico, con el fin de determinar las áreas donde haya
mayor o menor ganancia de calor.
5.
Luego se utiliza los catálogos de rejillas para determinar las dimensiones tentativas
de cada una. Esta elección se hará de tal forma que no se exceda la velocidad del
diseño. Este paso, se puede seleccionar los caudales de aire que van a ser
suministrado a criterio, ya que puede ser que no haya rejilla de un tamaño en
específico para un caudal de aire definido entonces a criterios se puede repartir el
caudal de tal manera que se pueda lograr una buena distribución de aire.
6. En el momento en que se determine el tamaño de los ductos, se puede elegir la
rejilla que mejor se acople al ducto. Para determinar las dimensiones de las rejillas
de retorno o extracción, si se elige utilizar una sola, central, entonces se selecciona(de los catálogos o de bibliografía especializada) con el caudal de aire suministrado
por el equipo y la velocidad de diseño. Ahora si es más de una, entonces se usa un
criterio parecido al utilizado para el suministro. Lo importante es lograr que haya
una buena circulación del aire. En el caso de utilizar rejillas de extracción, y que se
requiera lograr una presión positiva en el área respecto a otras adyacentes, se debenextraer un porcentaje del aire de suministro y no todo completo. Se suele utilizar
para dicho cálculo el 85% o 90% del aire suministrado
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Equipos de expansión directa.
Se emplean en instalaciones de pequeñas y medianas potencia, su condensación
generalmente es por aire y los compresores que utilizan pueden ser del tipo hermético,
semi-hermético, tornillos o skroll, dependiendo de la capacidad del equipo, utilizan como
refrigerante el R – 2 o R – 22, aunque hoy en día existen equipos con refrigerantes R-134ª y
R-410ª.
Los sistemas de expansión directa se clasifican en:
Equipos de Ventana.
Equipos Compactos
Equipos Split (Divididos).
Equipos especiales.
Equipos de ventana.
Es uno de los equipos más difundido, y se utiliza para acondicionar un solo ambiente.
Son de condensación por aire, esta parte (condensador) queda fuera del local que esta
acondicionado. Estos equipos tienen controles de temperatura, velocidad del aire y
dirección de flujo de aire. Los equipos de ventanas en el mercado se les conocen según sucapacidad en BTU. Ejemplos: equipo de 15000BTU, 18000BTU, 27000BTU.
Algunas consideraciones que se deben tener para su instalación: colocar el punto
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equipo debe ser accesible para el mantenimiento, se debe colocar en una base que lo proteja
y que aislé sus vibraciones, el condensador debe tener una descarga libre del aire caliente,
la conexión entre el equipo y la ductería debe ser a través de una conexión flexible que no
transmita la vibración al ambiente que se está acondicionando.
Equipos Split (dividido).
Este es otro equipo industrial que permite la distribución del aire por medio de ductería,
como su nombre lo indica está dividido en dos unidades, evaporador y condensador, unidas
por tuberías de cobre de alta y baja presión de gas refrigerante.
El evaporador es la unidad interior que contiene el intercambiador de calor donde el gas
se evapora así como el elemento de expansión (tubo capilar o válvula de expansión).
El condensador, contiene el intercambiador de calor donde el gas refrigerante se
condensan, así como el compresor, y los elementos de fuerza y control, esta unidad debe
colocarse siempre en el exterior.
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CAPÍTULO III
MARCO METODOLÓGICO
Naturaleza de la investigación
El presente trabajo de investigación es un estudio enmarcado en un proyecto factible el
cual según el Manual de Trabajos de Grado de Especialización y Maestría y Tesis
Doctorales, UPEL(2006) se define como “la investigación, elaboración y desarrollo de una
propuesta de un modelo operativo viable para solucionar problemas, requerimientos o
necesidades de organizaciones o grupos sociales; puede referirse a la formulación de
políticas, programas, tecnologías, métodos o procesos. El Proyecto debe tener apoyo en una
investigación de tipo documental, de campo o un diseño que incluya ambas
modalidades.”(p.13), apoyándose en una investigación descriptiva – documental, en el cual
se estudiara la necesidad de un sistema de acondicionamiento de aire buscando de esta
manera la solución de un problema practico, donde se estudian detenidamente todas las
situaciones existentes en torno al problema mediante un estudio diagnóstico, para así
formular el modelo operativo que se llevara a cabo para la solución del mismo de acuerdo a
la demanda de la realidad abordada.
Este trabajo responde a la necesidad que presenta una empresa de producción alimenticia
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FASES DEL PROYECTO
Fase I diagnóstico de la situación actual de los laboratorios
Se establecerán las condiciones actuales del ambiente dentro de las áreas sin
acondicionar, así como los requerimientos necesarios y las dimensiones del espacio en
estudio. Esto se realizara mediante:
Observación Directa: Según Sierra (1991), “Es la inspección y estudio realizado
por el investigador, mediante el empleo de sus propios sentidos, especialmente el de
la vista, con o sin ayuda de aparatos técnicos, de las cosas y hechos de interés
social, tal como son o tienen lugar espontáneamente en el tiempo en que acaecen y
con arreglo a las exigencias de la investigación científica”. (P. 253).
Entrevistas: según Buendía, Colás y Hernández citado por González (2009), es “la
recogida de información a través de un proceso de comunicación, en el transcurso
del cual el entrevistado responde a cuestiones previamente diseñadas en función de
las dimensiones que se pretenden estudiar planteadas por el entrevistador” (p.83).
Las entrevistas se dividen en estructuradas, semiestructuradas o no estructuradas o
abiertas. Las primeras o entrevistas estructuradas, son aquellas en que el
entrevistador se vale de una guía de preguntas específicas y se sujeta
exclusivamente a estas. Por el contrario, las entrevistas semiestructuradas, se basan
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Se consultará con el ingeniero representante de la empresa cuales son los
requerimientos ambientales que tienen cada uno de los laboratorios de la empresa,
mediante entrevista estructurada.
Se estimará las características físicas que deberá tener el sistema para tener una
adecuación al espacio físico disponible en el sitio.
Se establecerán las variables de diseño necesarias para el desarrollo de este sistema.
Fase II factibilidad técnico-operativa de la implementación del diseño de
Acondicionamiento de aire
A partir del diagnóstico y evaluación de la propuesta, se consultara con algunos
expertos en la rama de Ingeniería Mecánica, con el fin de obtener recomendaciones acerca
de los materiales más empleados en la elaboración de sistemas de acondicionamiento de
aire, de los criterios de diseño empleados más comúnmente, así como también de los costos
que implicarían en la elaboración del sistema.
Acciones:
Se evaluará la disponibilidad del material necesario para la elaboración del proyecto
en el mercado nacional.
Se realizará una evaluación de los costos de los materiales, así como de la mano de
obra capacitada para la elaboración de la propuesta.
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Se seleccionará la alternativa más adecuada y que cumpla con los requisitos
planteados según versatilidad, funcionalidad, economía entre otros.
Calculo de la carga térmica, la cual se realizara en cada uno de los ambientes
pertenecientes a los laboratorios con condiciones externas e internas extremas, y de
esta manera el diseño pueda cumplir con todas las exigencias.
Calculo del caudal de aire requerido, esto para crear un ambiente de confort para
cada una de las personas que se encuentren dentro de los laboratorios como cumplir
con las exigencias ambientales de estos, además de prever el buen funcionamiento
del sistema, ya que esta variable influye en el mismo.
Calculo de las dimensiones de los ductos, los difusores y rejillas, por donde el
caudal del aire requerido va a circular para proporcionar comodidad a cada uno de
los ambientes de la empresa.
Selección de los equipos de acondicionamiento de aire, de tal manera que estos seadecuen a las exigencias del sistema, en cuanto a su capacidad y a lo que se
requiera.
Se establecerán las especificaciones del diseño, como materiales, medios de
sujeción, y todas las características necesarias para definirlas.
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CAPITULO IV
ANÁLISIS DE LOS RESULTADOS
Fase I diagnóstico de la situación actual de los laboratorios
Para el desarrollo de esta fase del proyecto fue indispensable realizar evaluación de
planos y levantamientos en 3D que permitió corroborar las características arquitectónicas y
de funcionalidad del área destinada para laboratorios de la empresa de producción
alimenticia la cual fue información de suma importancia para determinar la eficiencia que
puede tener el diseño.
Todo esto antes mencionado nos permite y nos garantiza obtener un proyecto que se
ajuste a las características de la instalación con la finalidad de solucionar el problema planteado.
El estudio de los planos y levantamiento que fueron facilitados por arquitectos e ing.
Civiles que se encuentran trabajando en los laboratorios que hasta la fecha estos se
encuentran en la fase de proyecto, fue con el fin de tomar los datos de las mediciones que
más adelante se corroboraran con las medidas indicadas en los planos de la obra, ademásfueron proporcionados los tipos de materiales a utilizar, detalles tanto arquitectónicos como
técnicos y medioambientales entre otras cosas los cuales servirán como dato indispensable
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Ambiente Interior: 72°F, temperatura que se desea alcanzar para logra un
ambiente de confort dentro de los diferentes ambientes de laboratorios de acuerdo a
Miranda, A. (2007) en su libro Técnicas de Climatización (grafico de temperatura y
humedad de confort mostrada en el anexo 1).
Humedad relativa: Ambiente exterior: 60%, obtenida de la misma manera que la temperatura de
bulbo seco del ambiente exterior.
Ambiente interior: 50%, valor ideal de humedad relativa para lograr un ambientede confort dentro de los diferentes ambientes de los laboratorios de acuerdo a
Miranda, A. (2007) en su libro Técnicas de Climatización (anexo 1).
Conociendo los dos valores mencionados anteriormente, se pueden obtener el resto de
los valores de los cuales depende el logro del confort en un ambiente determinado, esto con
el empleo de un programa de carta psicrometría proporcionado por la marca TRANE,
fabricantes de equipos de acondicionamiento de aire (anexo 2). Estos valores son los
siguientes:
Temperatura de bulbo húmedo: Ambiente exterior: 81,13°F.
Ambiente interior: 59.74°F
Punto de rocío:
Ambiente exterior: 77,23°F.
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El planteamiento del diseño de un sistema de acondicionamiento de aire por
expansión directa para una serie de laboratorios, cumple con los requerimientos de
condiciones ambientales e higiene especifica como también con las necesidades de confort
de las personas que allí estarán realizando algún tipo de trabajo. Dicho proyecto es factible
técnicamente, puesto que se encuentra sustentando por un gran número de bibliografías
referentes al área de acondicionamiento de aire, como lo son libros y manuales de aire
acondicionado, catálogos tanto de los equipos a instalar como de otras partes importantes
para el sistema, normas, entre otros instrumentos y reseñas digitalizadas, fáciles de acceder por la web, en los cuales explican acerca de cada una de las diferentes técnicas y métodos
para los cálculos de los sistemas de acondicionamiento de aire. Y es económicamente
factible, puesto que, todos los recursos necesarios para la construcción del sistema, se
encuentran comercializados en el mercado nacional por sus empresas distribuidoras.
Fase III diseño de un sistema de acondicionamiento de aire para ambiente de
laboratorios
Estimación de la carga térmica
Con la ayuda de los planos arquitectónicos y el levantamiento 3D, se pudo determinar
una serie de datos necesarios para el cálculo de carga térmica de los diferentes ambientes,estos cálculos se realizaron con la utilización de una hoja de cálculo de carga térmica
diseñada en Excel correspondiendo una hoja para cada zona sean estas la zona 1
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multiplica el área de la ventana por el valor de ganancia solar a través de vidrio, tabla 15
del Carrier (1987) (Anexo 3), y finalmente por un factor de sombra, de la tabla 16 del
Carrier (1987) (Anexo 5). Como sigue:
Tabla 2. Ganancia de calor a través de vidrio
Orientación de
VentanaÁrea ( ft2)
Factor de Ganancia
de calor (°F)Factor U Q (Btu/hora)
Sur 64,55 14 0,56 506
La autora (2015).
Ganancia de calor solar y transmisión a través de puertas externas.
En este laboratorio a acondicionar, se encuentra expuesta al ambiente exterior
solamente una puerta con orientación hacia el oeste entre todas las paredes que constituyen
el área, el resto son puertas partición que son tomadas en cuenta en otro tipo de cálculo.
Este dato se obtiene de igual manera, por medio de la Ley de Fouriercomo sigue:
Tabla 3. Ganancia de calor solar y transmisión a través de puertas externas.Orientación de
puertaÁrea ( ft2)
Factor de Ganancia
de calor (°F)Factor U Q (Btu/hora)
Oeste 21,81 163 0,69 2453
Ganancia de calor solar y transmisión a través de paredes externas y techo externo
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Para saber la del techo, se emplea las tablas de la ASHRAE (Anexo 5). Se necesitasaber:
o Si el techo es soleado o en sombra.o
El peso del techo. Ver tablas del Carrier (1987) (Anexo 5).
Y U es el coeficiente global de transmisión a través de paredes y techo, tablas del
Carrier (1987) (Anexo 5). Los valores se muestran a continuación:
Tabla 4.Ganancia de calor solar y transmisión a través de paredes externas.
Orientación de pared
Área ( ft2) Factor de Gananciade calor (°F)
Factor U Q (Btu/hora)
Sur 578,78 19,90 0,40 4607
Este 169,03 21,30 0,40 1440
Oeste 101,45 43,91 0,40 1782
La autora (2015)Tabla 5.Ganancia de calor solar y transmisión a través de techo externo.
TechoÁrea ( ft2)
Factor de Ganancia
de calor (°F)Factor U Q (Btu/hora)
780,83 42,11 0,51 16769
La autora (2015)
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Tabla 6.Ganancia de calor por transmisión.
Tipo de División Área ( ft2)Factor de Ganancia
de calor (°F)
Factor U Q (Btu/hora)
Pared 671,02 21,60 0,40 5798
Puerta 18,07 21,60 0,69 269
La autora (2015).
Calor sensible dentro del local o calor interno.
Como se ha mencionado a lo largo de este trabajo, el calor interno es producto de
diversos factores presentes en el ambiente a ser acondicionado, como es el caso de las
personas, las luces que iluminan dicho ambiente, los artefactos eléctricos u otros equipos
presentes en el área los cuales consumen energía .
Las personas que ocupan el recinto generan calor sensible y calor latente, debido a la
actividad que realizan y a que su temperatura es mayor que la que debe mantenerse en el
local. Cuando se habla de personas que ocupan el local, se refiere al número medio de
personas que lo ocupan, no a las personas que puede haber en un instante determinado.
En la tabla 48 del Carrier (1987) (Anexo 6), se encuentra la información requerida, del
factor de calor sensible y calor latente, según el tipo de actividad que realicen las personas
en el local. Este valor obtenido en la tabla, bastará multiplicarlo por el número de personasdel local.
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Q luces fluorescentes = N° watts luces fluorescente x (3.41 Btu/h*watts) x 1,25
Q luces incandescentes = N° watts luces incandescentes x (3.41 Btu/h*watts)
Donde los Ing. Electricista que se encuentran trabajando en el proyecto en la parte
eléctrica de los laboratorios suministraron la potencia y número de lámparas incandescentes
a colocar en cada ambiente y así se obtiene lo siguiente:
Tabla 8. Calor generado por iluminaria
Número de lámparas Watt/Lámpara Total (Watt) Q (Btu/hora)
14 76 1064 3628,24
La autora (2015).
Calor generado por Artefactos y equipos mecánicos:
Los artefactos que deberán estar presentes en estas oficinas en el momento de ser
ocupadas solo emiten calor sensible en función de su utilización, mientras que, a causade la combustión, los aparatos de gas producen calor latente suplementario. El Carrier,
1965 permite determinar la ganancia de vida a diversos aparatos y motores eléctricos. Una
de las formas para determinar también la carga del calor de aparatos eléctricos, es
multiplicar la potencia en vatios por 3,4 Btu/ (watts x h), según la relación:
q Artefactos = N° watts artefactos x (3, 41 Btu / h* watts), de donde se obtiene lo siguiente:Tabla 9. Potencia por artefactos y equipos mecánicos
Equipo o artefacto Cantidad Potencia Watt/equipo Potencia total (Watt)
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Continuación de Tabla 9.
Vidas 4 1548 6192
Incubadora 2 650 1300
Vitrina Refrigerada 1 745 745
Estufas 6 1200 7200
La autora (2015).
Tabla 10. Calor Total generado por artefactos y equipos mecánicos.
Calor sensible total (Watt) Factor de conversión (Btu / h* watts) Q (Btu/hora)
23914 3,41 81546,74
La autora (2015).
Calor Sensible del local (RSH).
Es el resultado de la sumatoria del calor debido a la transmisión solar a través de vidrios,
paredes, techo, particiones, y el calor producido por personas, luminarias, artefactos,
maquinarias u otras fuerzas que se encuentren dentro del ambiente, es decir, es la suma de
todas las ganancias de calor sensible, por lo tanto se tiene que:
RSH: 121239 Btu/hora
Calor latente dentro del local (RLH).
El calor latente se debe a la productividad de las personas y otro tipo de trabajos
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Cálculo del caudal de aire exterior.
Es necesario en los locales acondicionados, prever un cierto caudal de aire exterior que
permita la supresión de olores debido a los ocupantes u otras fuentes, esto varía de acuerdo
al uso estipulado del ambiente, para el cálculo de del caudal de aire exterior, se utiliza la
tabla de la ASHRAE (Anexo 11), seleccionando un valor recomendado en base al uso que
tendrá el ambiente, este valor se multiplica por el número de personas previamente
estimadas.
Tabla 12. Caudal de aire exterior.
Número de personas Ft /minuto*persona CFMoa
8 15 120
La autora (2015).
Cálculo de calor latente de aire exterior (OALH).
Para el caso de la ganancia de calor latente por el aire exterior, la misma se obtiene por
medio de la misma cantidad de caudal de aire fresco calculada anteriormente,
multiplicándola por la diferencia de humedad especifica existente entre el ambiente interior
a acondicionar y el ambiente exterior, y por un factor de conversión a BTU/h, como sigue:
OALH = CFMoa x (W∞-Wm) x 0,68OALH = 120x (142,4- 57,8) x0, 68 = 120x 84,6x0, 68= 6903 Btu/hora
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Calor sensible total (TSH).
Es el resultado de la suma del calor sensible del local y el calor sensible del aire
exterior:TSH= 124038 Btu/hora
Calor latente total (TLH).
Es el resultado de la suma del calor latente del local y el calor latente del aire exterior:
TLH= 11263 Btu/hora
Calor total (GTH).
Representa el calor total dentro del local y se obtiene mediante la suma de las cargassensibles totales y las cargas latentes totales:
GTH= 135301 Btu/hora
Análisis psicométrico para la obtención de las condiciones del aire deimpulsión.
Factor de calor sensible del local (RSHF).
Como se explicó anteriormente, este factor es la razón entre el calor sensible del
local y el calor total del local, por lo tanto se tiene que:
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Factor de calor sensible efectivo (ESHF).
La determinación del factor de calor sensible efectivo es de vital importancia, ya
que permite determinar el caudal de aire a impulsar y seleccionar el equipo con mayor
facilidad, debido a que este factor relaciona el balance térmico con la temperatura del
punto de rocío del serpentín y el factor de bypass. Este factor se logró determinar
mediante la expresión:
Dónde:
ERSH: ganancia sensible efectiva del local
ERLH: ganancia latente efectiva del local
ERSH= 121239 + 0,1x 2799 = 121519Btu/hora
ERLH= 4360+ 0,1x 6903 = 5050,3Btu/hora
Finalmente:
ESHF= 121519/(121519+5050,3) = 0,96
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CFMt = 121519/(1,08x (1-0,1) x (72-51,7)) = 6159
Cálculo del caudal de aire impulsadoCFMra
CFMra= CFMt- CFMoa
CFMra=6159-120 = 6039
Temperatura de bulbo seco a la entrada de la mezcla (DB1).
Dónde:
CFMoa:Caudal de aire exteriorToa: Temperatura del aire exterior
CFMra: Caudal de aire impulsado
Trm: Temperatura interior del ambiente
CFMt: Caudal de aire tratado
Así:DB1= ((120x93, 2)+ (6039x72))/6159= 72,41°F
T d b lb hú d l d d l l (WB )
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húmedo de la mezcla a la entrada del serpentín (WB1). Para este caso en específico,
se obtuvo el siguiente resultado:
WB1 = 61 °F
Temperatura de bulbo seco a la salida de la mezcla (DB2).
Esta temperatura se puede calcular mediante la siguiente expresión: DB2=ADP + BF x (DB1 - ADP)
DB2=51, 7 + 0, 1* (72, 32-51, 7) =53, 76°F
Temperatura de bulbo húmedo a la salida de la mezcla (WB2).
De manera general, se calcula de la siguiente manera:
1.
Se ubica la temperatura equivalente del punto de rocío del serpentín (ADP) sobre la
escala de temperatura del bulbo húmedo en la carta psicrométrica, y se une con el
punto de ubicación de la temperatura de bulbo seco de la mezcla a la entrada del
serpentín (DB1) a través de una línea.
2. Se ubica la temperatura del bulbo seco de la mezcla a la salida del serpentín (DB2),
y con una línea vertical se intercepta con la línea trazada en el paso anterior.
3. Luego de ubicarse la temperatura sobre la línea, se lleva este punto en forma
inclinada ascendente, de derecha a izquierda hacia la escala de temperatura de bulbo
húmedo de la carta psicrométrica, y con esto obtenemos la temperatura del bulbo
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Análogamente se realizaron los cálculos de carga térmicas para la zona 2 comprendida
por las áreas Aduana, Pesaje, Esterilización y Lavado obteniendo para cada área un
estimado requerido de toneladas de refrigeración, luego estas sumándose para saber el total
requerido para la zona 2 ya que la propuesta es colocar un mismo equipo de
acondicionamiento de aire para toda la zona por la similitud de estas en cuanto a uso del
espacio. Las TR obtenidas son:
Aduana: 0,52 TR
Esterilización: 2,2 TR Lavado: 2,2 TR
Pesaje: 1,2 TR
La capacidad total de toneladas de refrigeración para la zona 2 es de TR=6,12.
Los Cálculos también se realizaron mediante la utilización del software “Hourly
Analysis Program” proporcionado por Carrier.
El programa de análisis de horarios de Carrier HAP son dos poderosas herramientas en
un solo paquete. HAP ofrece funciones versátiles para el diseño de