Microsoft PowerPoint - AC-1-Aire Acondicionado 1 Copia

Ing. Francisco Javier Vadillo

SISTEMAS DE AIRE ACONDICIONADO

• CONSIDERACIONES Y MÉTODOS PARA EL CÁLCULO DE LA CARGA

TÉRMICA DE AIRE ACONDICIONADO


AIRE ACONDICIONADO


CONCEPTOS Y APLICACIÓN

• Campo del acondicionamiento de aire.– El aire acondicionado se utiliza en la industria,

comercio, residencias y entretenimiento, investigación y laboratorios, infraestructura informática y comunicaciones, hospitales, transporte, etc.

• Acondicionar el aire es controlar la temperatura y humedad del ambiente por medio de procesos de enfriamiento, calentamiento, ventilación, limpieza y recirculación del aire.


Confort humano y estándares.

• El cuerpo humano genera calor y mantiene una temperatura interna de 98.6 ° F (37° C).

• Para controlar su temperatura, el cuerpo utiliza la convección por contacto de la piel con la ropa o superficies frías o calientes, radiación a los cuerpos a menor temperatura, convección con el aire o el agua y evaporación por medio del sudor o el aliento.

• Adicionalmente, el cuerpo necesita aire fresco que le proporcione oxígeno y le permita eliminar el CO2. Este aire fresco debe ser limpio y libre de polvo, humos, polen de plantas, etc, o causará irritación en los ojos, garganta, nariz y pulmones.



• Para mantener el confort, se deben controlar:– La temperatura (de bulbo seco), por medio de

enfriamiento o calentamiento del aire.

– La humedad (relativa o temperatura de bulbo húmedo), por medio de humidificación o deshumidificación.

– El movimiento del aire, o circulación.

– La limpieza del aire, por medio de filtrado.

– La ventilación, por la introducción de aire exterior a la zona acondicionada.



• La ASHRAE (American Sociaty for Heating, Refrigeratingand Air Conditioning Engineers) desarrollo por varios años un estudio estadístico para evaluar la reacción de personas de diferentes edades en diferentes rangos de temperatura, humedad y movimiento.

• Las condiciones donde la mayoría de las personas se sentían mejor se conoce como zona de confort y cada combinación como temperatura efectiva.



• Estas condiciones pueden variar en aplicaciones donde el espacio será ocupado por corto tiempo y no existe un tiempo adecuado para “aclimatarse”.

• Los valores recomendados son:

– INVIERNO 72 – 75° F TBS y 35 – 40% HR

– VERANO 75 – 78° F TBS y 50 – 55% HR

• Con las normas de ahorro energético en algunos países, las temperaturas pueden variarse a 68° F en invierno y 80° F en verano.



• La velocidad del aire no debe exceder los 50 pies por minutos.

• Las velocidades recomendadas son entre 15 y 25 pies por minutos. La poca circulación debe evitarse ya que ocasiona sensación de encierro.


Calidad del Aire

• Los sistemas deben operar para proporcionar cantidades suficientes de aire limpio para mantener los niveles de oxígeno dentro de un rango aceptable y diluir los contaminantes generados dentro de los espacios ocupados.

• Como nota, el ser humano promedio respira 36 lbsde aire al día, come y bebe 3.8 y 4.3 lbs de agua respectivamente.


Calidad del Aire

• El aire debe estar razonablemente libre de polvo, la sensación de aire muerto o viciado y olores desagradables.

• Estas condiciones se logran generalmente por medio de filtros y con ventilación.

• Tomando en cuenta esto se estiman las cantidades de aire mínimas que los sistemas de aire acondicionado deben proporcionar.


Necesidades de ventilación de aire en aplicaciones variadas

Área Acondicionada CFM/personaBanco 10 a 7.5Bar 40 a 25

Oficina 15 a 10Uso general 25 a 15Uso privado 30 a 25

Uso residencial 20 a 10Restaurante 15 a 12

Teatro 15 a 10Almacén detalles 10 a 7.5


Calidad del Aire.

• Otros aspectos a considerar en el acondicionamiento de aire son las condiciones especiales que se requieren en aplicaciones como quirófanos y servicios médicos, protección de humedad en productos o artículos delicados, condiciones de comercio e industria (por ejemplo la industria de fabricación de componentes electrónicos o para computadora).


CONSIDERACIONES PARA EL CÁLCULO DE LA CARGA DE ENFRIAMIENTO

• CÁLCULO DE CARGA DE ENFRIAMIENTO: Se deben considerar los siguientes aspectos:– La conducción a través de las paredes, pisos y techos

varía con el tipo de construcción, el área expuesta a diferentes temperaturas, el espesor y tipo de aislamiento, la diferencia de temperatura entre el ambiente y el espacio acondicionado y la orientación con respecto al sol.



– El aislamiento es muy relevante en la cantidad de calor que puede penetrar al espacio, por ejemplo:

– 3½ pulgadas de fibra de vidrio (R-11) equivale a:

– 1 pie de madera (0.305 m)– 4½ pies de ladrillo (1.37 m)– 10 pies de concreto (3.05 m)– 17 pies de piedra (5.08 m)



– La transferencia de calor que se obtenga entre el aire exterior y el interior también dependerá del tipo de superficie (rugosa o lisa), las propiedades reflectivas, si es horizontal, vertical o inclinada, etc.

– El efecto Solar y el almacenamiento térmico de los edificios.

– La carga de luces, equipos y personas es totalmente independiente del ambiente exterior y depende del horario de ocupación o uso. Como existe carga radiante, las características del edificio para almacenar calor deben ser consideradas.


Cargas de Transferencia de Calor

• En el diseño de sistemas de aire acondicionado existen tres cargas distintas, pero relacionadas entre sí, que varían con el tiempo:

• 1.- La ganancia o pérdida de calor instantánea. Sensible o latente, es la cantidad de calor por unidad de tiempo que incide en las superficies del edificio o se emana por una fuente interna.


EFECTO DEL ALMACENAMIENTO TÉRMICO DE CALOR SOLAR EN PAREDES Y TECHOS

0 BTUH

100 BTUH

200 BTUH

300 BTUH

400 BTUH

500 BTUH

600 BTUH

700 BTUH

800 BTUH

900 BTUH

0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20 22 24

TIEMPO (HORAS)

GanancíaInstantánea

Carga deenfriamiento



• 2.- La carga de enfriamiento. Es la razón a la cual el calor debe ser removido del espacio acondicionado para mantener la temperatura constante.– La carga latente es esencialmente instantánea y la

porción de calor radiante es parcialmente absorbida por las superficies y contenido (muebles, alfombras, etc) del espacio, liberándose hasta más tarde.

– La carga de enfriamiento es generalmente menor al pico de carga instantánea total, por lo que se requiere un equipo más pequeño para enfriar el espacio del que resultaría sise seleccionará en base a la carga pico total.



• 3.- Extracción de calor.Es la razón de extracción de calor del espacio refrigerado. Los sistemas de control normales operan de forma intermitente, lo que causa una modulación en la temperatura del cuarto.

• Solamente si la carga de enfriamiento es igual a la extracción de calor se mantiene la temperatura constante.


El efecto Solar y el almacenamiento térmico de los edificios.

El calor del día aumenta gradualmente a medida que la luz solar alcanza las paredes del edificio.

Sin embargo, el calor no se cede al espacio acondicionado instantáneamente, sino que primero es absorbido por las superficies para luego ser conducido al espacio acondicionado.



Dependiendo del aislamiento y el tipo de construcción (liviana o pesada) habrá un retardo de tiempo de dos a diez horas antes de que el calor alcance el interior del espacio, es decir, que en algunos casos las superficies de paredes en el edificio pueden emanar el calor aún en horas en las que ya se ha puesto el sol.



Esto dependerá de factores como el tipo de construcción, la orientación, el área expuesta al sol o sombra, el tipo de superficie y la posición del sol relativa a la hora del día, latitud y mes del año.

La transferencia de calor a través de superficies transparentes como vidrio o tragaluces es más una función de las características de radiación térmica del material y menos dependiente de la capacidad de almacenar calor. Esto se debe a la poca densidad de dichos materiales.


EFECTO DEL ALMACENAMIENTO TÉRMICO DE CALOR SOLAR EN PAREDES Y TECHOS

CALORALMACENADO

QUE SE ELIMINA

CALORALMACENADO

CALORALMACENADOREMANENTE

CARGA REAL DEREFRIGERACÍON

CARGAINSTANTÁNEA

3 4 521 8 9 1076 13 14 151211 18 19 201716 21 22 23

BT

H /

H

TIEMPO EN HORAS


Diversidad de las cargas de enfriamiento

• Cuando se calculan cargas grandes, como edificios multi-oficinas o tiendas de departamento, se considera que no todas las cargas de luces, personas o equipos ocurren simultáneamente o están presentes.


Diversidad de las cargas de enfriamiento

• Normalmente en edificios grandes no hay un 100% de ocupancia o luces encendidas en las horas pico de carga solar, lo cual reduce la carga de enfriamiento por no uso o ausencia de ocupantes. Sin embarga la ocupancia se da al edificio total y no a los cuartos individuales para no sobre-dimensionarlos.


El clima y condiciones de diseño interior y exterior.

• Aspectos como nubosidad, diversidad de climas, sombras de edificios, árboles u otras estructuras, afectan la carga térmica de los edificios.

• Sin embargo, la mayoría de los métodos de cálculo de carga térmica no los toman en cuenta.


Carga pico, hora del día y mes del año

• Después de dividir las áreas a acondicionar en zonas, la primera aproximación que se debe hacer con los métodos manuales es estimar el tiempo de carga pico para cada zona y para el área acondicionada total.

• Para aplicaciones donde las luces, personas o equipos no son dominantes, las horas de carga pico normalmente dependerán de las horas de mayor carga solar a través de ventanas (usualmente entre las dos y cuatro de la tarde).


Carga pico, hora del día y mes del año

• Cuando las cargas internas son las dominantes, la hora pico usualmente ocurre durante los últimos momentos antes de que los ocupantes se marchen o apaguen las luces.

• El mes en el que ocurre el pico de carga depende de los cambios de carga solar de cada mes y las condiciones climatológicas. Normalmente la carga en verano es mayor en paredes expuestas entre en NE y SE y el SO y NO.


CONDICIONES NACIONALES

• El Salvador se ubica en los 13° latitud Norte y el mes más cálido se considera Marzo.

• Las temperaturas de diseño se deben investigar para el departamento o zona del país en estudio.


Cargas externas.

• Calor através de puertas, ventanas, paredes, pisos y techos.

• Calor por radiación en ventanas y tragaluces

• Calor por otras fuentes de calor externas (calderas, motores, etc.)


Cargas internas.

• Iluminación: incandescentes, fluorescentes, halógenas, halúro metálico, etc.

• Personas, depende de la actividad: caminando, corriendo, descansando, bailando, ejercitando, etc.

• Equipos: computadoras, cocinas, cafeteras, equipos de sonido, máquinas de escribir, etc.

• Otras cargas internas.


Infiltración y Ventilación.

• Infiltración de aire exterior caliente por rendijas, puertas, ventanas, etc.

• Ventilación de aire exterior para mantener las condiciones de oxígeno necesarias según la aplicación.


MÉTODOS DE CÁLCULO DE CÁRGA TÉRMICA

• Existen muchos métodos de estudio de carga térmica en edificios para aplicaciones de refrigeración.

• La mayoría de los sistemas profesionales utilizan programas de computadora en los que se simulan las condiciones internas y externas de cargas y brindan valores lo más próximo a las cargas de enfriamientos.


El método de la Función de Transferencia (de calor) “T.F.M.”• Utiliza integración de todas las fuentes de

calor que entran al espacio acondicionado y la capacidad de almacenar o ceder calor de los materiales de construcción.

• Por su alto grado de complejidad requiere de sistemas computarizados para su resolución.

• No se evaluará en este curso.


El método de la Diferencia de temperatura equivalente y el

tiempo promedio “TETD/TA”• Este método se desarrollo en 1967 y se

mantuvo casi sin cambio hasta 1972.

• Se utiliza principalmente cuando interesa conocer la carga pico durante un período promedio de tiempo y no para calcular la extracción de calor necesaria.


El método de la diferencia de temperatura de carga de enfriamiento (CLTD-SCL-SC).

• CLTD: CoolingLoad TemperatureDifference

• SCL: Solar CoolingLoad

• CLF: CoolingLoad Factor

• Constituye un método que se aproxima al TFM por medio de tablas por lo que puede utilizarse sin un computador.


CLTD-SCL-SC

• Las tablas se generan utilizando el TFM para condiciones específicas de latitud, mes y zonas, todas calculadas para el 21 de cada mes.

• El método posee tres errores inherentes por las aproximaciones y por el uso del TFM como referencia:


CLTD-SCL-SC.Consideración de errores

1. Se considera que los factores de conducción corresponde a material homogéneo y con respuesta térmica similar.

2. Las tablas y valores se calculan en base a parámetros discretos aplicados a un cuarto rectángular. Cualquier desviación producirá errores difícilmente calculables.

3. Se asume que la carga de enfriamiento de cada zona puede ser calculado simplemente al sumar los componentes individuales de las superficies.

• Otras consideraciones: El método no considera la sombra por edificios, con cielo despejado y valores fijos de reflectividad en las calles y aceras.


CARGAS EXTERNAS.

• QTECHO = UA(CLTD)– El coeficiente U de las tablas 4.1 a 4.11

– El CLTD de tabla 8.2 corregida para la temperatura externa, rango diario y la temperatura interna

• QPAREDES= UA(CLTD)– Primero se calcula el tipo de pared en la tabla

8.6 y luego el CLTD de tabla 8.6 corregida.


CARGAS EXTERNAS.• QVENTANAS = UA(CLTD) + A(SC)SCL

– El U depende del tipo de ventana y si posee o no sombras internas, tablas 4.7 y 4.8

– El CLTD de tabla 8.7 corregido– El SC o coeficiente por sombra se calcula por una

combinación entre tipo de vidrio y cortinas, tabla 8.10 a 8.15.

– Luego se calcula el tipo de zona, tabla 8.8– El factor de carga solar se toma de la tabla 8.9– En caso de existir sobras externas como aleros,

salientes, techos, etc., se debe realizar un cálculo para el més evaluado con la tabla 8.16


CARGAS EXTERNAS.

• Q DIVISIONES/CIELOS/PISOS= UA(TD)

– U de tablas 4.1 a 4.11

– La temperatura es el diferencial entre cuartos.

– Esto incluye divisiones de vidrio que no están expuestas a la luz del sol.


CARGAS INTERNAS

• QLUMINARIAS = 3.41W FUFS(CLF)– W la potencia total de las lámparas

del mismo tipo– FU es el factor de uso o razón de

uso total instalado.– FS es el factor de balastro, se aplica

en lámparas fluorescentes o de haluro metálico que están ventiladas o instaladas de tal forma que sólo una parte de su calor va al espacio acondicionado.


CARGAS INTERNAS. LUCES

– El Fs influye en la carga de enfriamiento a razón de la carga radiante y convectiva que constituyen la carga total de las lámparas. Las incandescentes tiene por lo general una razón 80 radiante / 20 convectiva, mientras que las fluorescentes es 59 radiante / 41 convectiva.

– El valor del FS puede ser:• 2.19 para lámparas de 32 W, arranque rápido

• 1.18 para lámparas de 40W, balastro para dos

• 1.30 para lámparas de 40W, balastro sencillo

• 1.20 para aplicaciones generales

• 1.04 a 1.37 para lámparas de sodio


CARGAS INTERNAS. LUCES

• CARGAS INTERNAS• El CLF es un factor que toma en cuenta la cantidad

de calor que primero deben absorber las paredes y muebles del espacio y el retardo de su emisión.

• Para calcular el CLF primero se define el tipo de zona con la tabla 8.8 y luego se lee el valor CLF en base a las horas en operación y las hora de uso en la tabla 8.17.

• En caso que las luces permanezcan encendidas 24 horas o el tiempo total de duración del período, el CLF toma el valor de 1


0 BTUH

20 BTUH

40 BTUH

60 BTUH

80 BTUH

100 BTUH

120 BTUH

140 BTUH

160 BTUH

180 BTUH

0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20 22 24

Ganancia de calor instantánea Carga enfriamiento luces

Luminarias permanecen encendidas ocho (8) horas.

Se considera una lámpara fluorescente de 40W con un factor de uso fu = 1.0, un factor de balastro fs = 1.20.

EFECTO DE ALMACENAJE TÉRMICO EN CARGAS DE ENFRIAMIENTO DEBIDAS

A LUMINARIAS


CARGAS INTERNAS. LUCES.

• Algunos casos especiales:– Lámpara ventiladas con ducto de retorno

– Lámpara empotrada con retorno en plenum


CARGAS INTERNAS. PERSONAS.

• El calor generado por las personas depende de la actividad, vestimenta y a varias condiciones ambientales.

• El calor latente (sudor, respiración) constituye una carga de enfriamiento instantánea, mientas que el calor sensible tiene un tiempo de receso al igual que el calor sensible de lámparas y equipos.


CARGAS INTERNAS. PERSONAS.

• QPERSONAS= QS + QL,

• donde QS = No(qs)(CLF) y QL = No(qL)– No es el número de personas estimadas (por medio de

censo o tabla 10.2)

– qs y qL de tabla 8.18 o 5.2.

– Tipo de Zona de tabla 8.8

– CLF de tabla 8.19; toma el valor de 1 cuandohay una densidad alta de personas.


CARGAS INTERNAS. EQUIPOS.

• QEQUIPO = QS (CLF) + QL– El factor de QS y QL de tablas 5.5, .6, 5.7, 8.19 y 8.20.

– Cuando el equipo esta montado debajo de una campana de extracción, el calor latente se considera nulo.


INFILTRACIÓN Y VENTILACIÓN

• INFILTRACIÓN QS = 1.1 CFM (DT)

• INFILTRACIÓN QL = 4840 CFM (DW)– De la tabla 10.2 se pueden tomar cantidades estándares

para aplicaciones.


OTRAS CONSIDERACIONES

• OTROS FACTORES A TOMAR EN CUENTA SON EL FACTOR DE SEGURIDAD Y FUTURAS AMPLIACIONES.

• POR LO GENERAL, EL FACTOR DE SEGURIDAD ES DEL 10%.

• LAS FUTURAS AMPLIACIONES DEPENDEN DEL DISEÑO Y LA PLANEACIÓN A FUTURO DE LOS RESPONSABLES DE LA INSTALACIÓN Y PLANIFICADORES.

• NORMALMENTE SE DEFINE PREVIO AL DISEÑO INICIAL.


SISTEMAS DE AIRE ACONDICIONADO

• EL AIRE ACONDICIONADO ES UNA INDUSTRIA SIEMPRE EN MOVIMIENTO Y CONTINUAMENTE MEJORÁNDOSE A SÍ MISMA CON NUEVAS TECNOLOGÍAS E INVESTIGACIÓN, MEJORES DISEÑOS, MATERIALES, REFRIGERANTES, ETC.

• SIN EMBARGO, LOS TIPOS MÁS USUALES SE DESCRIBEN A CONTINUACIÓN:


EQUIPOS DE VENTANA (R.A.C. Room Air Condicioner)

• Son equipos de pequeñas dimensiónesdiseñados para un montaje rápido en boquetes de pared y marcos de ventanas residenciales y de oficinas.

• No requieren de mano de obra calificada para su montaje y suelen venderse incluso como electrodomésticos.



• Tanto el evaporador como el condensador y compresor estan en una carcaza, dividida internamente para separar el aire de suministro frío con el aire de condensación.

• El nivel de ruido que alcanza el compresor al operar constituye una desventaja a este sistema.


EQUIPOS PAQUETES O INTEGRALES

• Se podría decir que son equipos de ventana muy grandes. La diferencia radica en que los equipos paquete por lo general requieren la instalación de sistemas de ductería.

• Poseen la ventaja de no requerir la instalación de tubería entre evaporador y unidad condensadora, por lo que tienen garantía de fábrica en la carga de refrigerante.


EQUIPOS PAQUETES O INTEGRALES


EQUIPOS TIPO “MINI SPLIT”

• El evaporador o manejadora de aire como un componente independiente conectado por medio de tuberías a la unidad condensadora

• Esto reduce o elimina notablemente el sonido proveniente del compresor por distancia.

• Requieren de mano de obra calificada para su montaje y mantenimiento y pueden encontrarse para uso residencial, comercial e industrial.

• No requieren de ductos para distribuir el aire.


EQUIPOS TIPO “MINI SPLIT”


EQUIPO TIPO CENTRAL (SPLIT)

• Son sistemas de unidades evaporadoras y unidades condensadoras que por lo general utilizan un sistema completo de ductos y rejillas para distribuir el aire en los espacios acondicionados.

• Estos es de mucha ventaja en áreas donde existen divisiones y la carga se desea repartir en varias zonas con un solo equipo, maximizando la eficiencia.

• También requieren de mano de obra calificada para la instalación de tuberías y los ductos.


EQUIPO TIPO CENTRAL (SPLIT)• Pueden incluir sistemas de resistencias adicionales para

utilizar la misma ductería y funcionar para calefacción en climas fríos.


EQUIPO TIPO CENTRAL (SPLIT)EQUIPO TIPO CENTRAL (SPLIT)EQUIPO TIPO CENTRAL (SPLIT)EQUIPO TIPO CENTRAL (SPLIT)

UNIDAD EVAPORADORA

UNIDAD CONDENSADORA (COMPRESOR –CONDENSADOR)

DUCTERÍA DE DISTRIBUCIÓN


Unidad CondensadoraUnidad CondensadoraUnidad CondensadoraUnidad CondensadoraAire Acondicionado tipo centralAire Acondicionado tipo centralAire Acondicionado tipo centralAire Acondicionado tipo central

1.1.1.1. Válvulas de servicioVálvulas de servicioVálvulas de servicioVálvulas de servicio2.2.2.2. CondensadorCondensadorCondensadorCondensador3.3.3.3. Descarga de aire calienteDescarga de aire calienteDescarga de aire calienteDescarga de aire caliente4.4.4.4. Motor condensadorMotor condensadorMotor condensadorMotor condensador5.5.5.5. Compresor herméticoCompresor herméticoCompresor herméticoCompresor hermético6.6.6.6. AntivibradorAntivibradorAntivibradorAntivibrador7.7.7.7. SwitchSwitchSwitchSwitch de presión alta y bajade presión alta y bajade presión alta y bajade presión alta y baja8.8.8.8. Filtro secador línea de líquidoFiltro secador línea de líquidoFiltro secador línea de líquidoFiltro secador línea de líquido


Unidad EvaporadoraUnidad EvaporadoraUnidad EvaporadoraUnidad EvaporadoraAire Acondicionado tipo centralAire Acondicionado tipo centralAire Acondicionado tipo centralAire Acondicionado tipo central

1.1.1.1. EvaporadorEvaporadorEvaporadorEvaporador2.2.2.2. TurbinaTurbinaTurbinaTurbina3.3.3.3. Motor (puede ser de Motor (puede ser de Motor (puede ser de Motor (puede ser de

acople directo o por acople directo o por acople directo o por acople directo o por faja)faja)faja)faja)

4.4.4.4. Caja eléctrica Caja eléctrica Caja eléctrica Caja eléctrica (transformador, (transformador, (transformador, (transformador, contactor(escontactor(escontactor(escontactor(es) o ) o ) o ) o relé(srelé(srelé(srelé(s))))

2

1

34


EQUIPOS ENFRIADOS POR AGUA-AIRE

• Son sistemas que utilizan un enfriador o chillerpara enfriar agua a 6ºC para distribuirlos por medio de tuberías a intercambiadores de calor con turbinas o ventiladores (unidades “fancoil”).

• Estos sistemas son muy utilizados en edificios grandes donde la instalación de tuberías para refrigerante resulta muy grande.


CHILLER/FANCOIL


EQUIPOS AUTOMOTRICES

• El negocio de aire acondicionado automotriz tiene un muy amplio mercado y aunque las instalaciones son con equipos pequeños, el volumen de este es considerable.

• No sólo se aplica para confort en vehículos particulares, también en equipos de trabajo como grúas, palas mecánicas, etc, donde los operarios trabajan en condiciones climáticas extremas con calor, lluvia y polvo.


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