Notas Aire Acondicionado y Refrigeración

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1 UNIVERSIDAD DE GUANAJUATO Universidad de Guanajuato Aire Acondicionado y Refrigeración AIRE ACONDICIONADO Y REFRIGERACION JOSE CUAUHTEMOC RUBIO ARANA [email protected] FACULTAD DE INGENIERÍA MECÁNICA, ELÉCTRICA Y ELECTRÓNICA Salamanca, Gto., abril 19 del 2006.

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Principios de transferencia de calor, termodinámica y datos termo-ergonómicos para la correcta selección de equipos de aire acondicionado.

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    UNIVERSIDAD DE GUANAJUATO

    Universidad de Guanajuato Aire Acondicionado y Refrigeracin

    AIRE ACONDICIONADO Y REFRIGERACION

    JOSE CUAUHTEMOC RUBIO ARANA [email protected]

    FACULTAD DE INGENIERA MECNICA, ELCTRICA Y

    ELECTRNICA

    Salamanca, Gto., abril 19 del 2006.

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    UNIVERSIDAD DE GUANAJUATO

    FACULTAD DE INGENIERIA MECANICA, ELECTRICA Y ELECTRNICA

    PROGRAMA: IMT01.06 AIRE ACONDICIONADO Y REFRIGERACIN TRIMESTRE DE PRIMAVERA 2006 PROFESOR: M. en I. CUAUHTEMOC RUBIO ARANA. BIBLIOGRAFA: -F. Mc. QUISTON & J.PARKER, HEATING VENTILATING AND AIR CONDITIONING, 3. EDIT., JOHN WILEY AND SONS, 1988. -B. H. JENNINGS, J. R. LEWIS, AIRE ACONDICIONADO Y REFRIGERACION, EDIT. CECSA. MAS RECIENTE EDICIN. -MANUALES DE CARRIER Y CATALOGOS DE PRODUCTOS COMERCIALES. FECHA ABRIL 04 06 25 27 MAYO 04 09 11 16 18 23 25 30 JUNIO 01 06 08 13 15 20 22 27

    TEMA DEFINICIONES BALANCE TERMICO ESTUDIO DEL AIRE Y CARTA PSICROMETRICA VENTILACIN MECANICA VENTILACIN MECANICA ZONA DE CONFORT ZONA DE CONFORT RECIRCULACIN DEL AIRE RECIRCULACIN DEL AIRE EXAMEN I VENTILADORES VENTILADORES DUCTOS, EQUIPOS DE DIFUSIN Y EXTRACCIN CALCULOS DE SISTEMAS DE CALEFACCIN CON AIRE CALIENTE REFRIGERACIN REFRIGERANTES CALCULO DE SISTEMAS DE REFRIGERACIN EXAMEN II

    SE TOMARAN EN CUENTA TAREAS, TRABAJOS Y PARTICIPACIN EN CLASES EL VALOR SERA DE 1 PUNTO EN

    TOTAL O SU PARTE PROPORCIONAL. LA CALIFICACIN FINAL SERA EL PROMEDIO DE LOS DOS EXAMENES

    MAS EL VALOR OBTENIDO POR TAREAS, TRABAJOS Y PARTICIPACIN EN CLASE.

  • 3

    AIRE ACONDICIONADO Y REFRIGERACIN DEFINICIONES Y CONCEPTOS El calor es una forma de energa o de actividad molecular, y esta presente en cierto grado en todas las cosas. Cuanto ms se calienta el material ms rpido es el movimiento molecular de la substancia o materia. El calor es suministrado a la tierra por los rayos del sol y se obtiene tambin oxidando o quemando materias combustibles.

    sJW

    JWm.NJ

    ==

    =

    &

    hrBtu.fReTon.

    kJ..Btu.C.m

    W.F.ft.hr

    Btu

    120001035111

    730611

    ==

    =

    Fro Es la ausencia de calor en forma parcial, pues aunque extraigamos la mayor parte de calor que contiene un cuerpo o un espacio no es posible quitarle por ningn medio en calor natural. Calor Sensible Es el calor que se siente o se puede medir por lo que causa un cambio de temperatura en la substancia pero no causa un cambio de estado. La substancia en cualquiera de sus tres estados contiene calor sensible en algn grado siempre que su temperatura est por encima del cero absoluto. Calor Latente Cuando se presenta un cambio de estado, la mayora de las substancias tendrn un punto de fusin en la cul ellas cambiarn de su estado slido a lquido sin cambio de temperatura. En este si la substancia esta en un estado lquido y el calor se retira de ella la substancia se solidificar sin ninguna variacin en su temperatura.

  • 4

    Acondicionamiento de Aire. Es controlar la temperatura, circulacin, humedad y pureza del aire que respiramos y en el que vivimos.

    BALANCE TRMICO. Los conceptos que se deben analizar en el balance trmico son los siguientes: 1. Transmisin de calor a travs de muros, puertas, ventanas techos, etc. 2. Calor desprendido por las personas que ocupan el local. 3. Alumbrado y equipo mecnico. 4. Infiltracin del aire exterior hacia el interior por los orificios de puertas o

    ventanas. 5. Efecto de los rayos solares sobre techos y paredes.

    T,F

    Q, Btu/lb 16 160 360 1310

    212 32

    Fusin del hielo

    Calor latente

    Calor sensible

    Calor sensible

  • 5

    1) Transmisin de Calor.

    Se da por los siguientes mecanismos: conduccin, conveccin y radiacin. En todos los casos en que exista un material que separe dos medios a

    diferente temperatura, siempre hay una transferencia de calor del cuerpo ms caliente hacia el ms fro a travs del material que los separa obteniendose la cantidad de calor transmitida por la siguiente ecuacin:

    )TT(L

    kAQ

    )TT(kAQL

    dTkAdxQ

    dxdTkAQ

    T

    T

    L

    o

    12

    12

    2

    1

    ==

    ==

    Pelculas de Aire. Las paredes de los edificios separan al medio ambiente exterior del interior, circulando por el exterior el aire que siempre forma una pelcula sobre dichas paredes la cul es muy resistente al paso de calor siendo su espesor dependiente de la rugosidad de la pared y de la velocidad del viento habindose obtenido en forma experimental la llamada conductancia designada por f y determinada por las siguientes expresiones:

    v..fv..fv..f

    501240023061

    +=+=+=

    para paredes lisas, paredes medianamente rugosas y muy rugosas respectivamente, donde:

    T1

    Q

    T2

    A

    k

    x

  • 6

    v - es la velocidad del aire en (mi/hr) f = h coeficiente convectivo de transferencia de calor en (Btu/hr ft2 F) (W/m2 K). Paredes Compuestas Muro

    ( )( )( )( )( )

    226262

    3

    36565

    3

    3

    2

    25454

    2

    2

    1

    14343

    1

    1

    131311

    1

    1

    fAQTT..............TTAfQ

    kL

    AQTT..............TT

    LAkQ

    kL

    AQTT..............TT

    LAkQ

    kL

    AQTT..............TT

    LAkQ

    fAQTT..............TTAfQ

    ==

    ==

    ==

    ==

    ==

    tenemos que:

    1 2 3 4 5

    T1

    T2

    T4

    T5

    f1 f2

    T3 T6

    L1 L2 L3

    Q

  • 7

    ( )

    ( )21

    1

    23

    3

    2

    2

    1

    1

    1

    21

    1

    23

    3

    2

    2

    1

    1

    1

    23

    3

    2

    2

    1

    1

    121

    11

    11

    11

    TTUAQquedando

    fkL

    kL

    kL

    fU

    donde

    TTAfk

    LkL

    kL

    fQ

    fkL

    kL

    kL

    fAQTT

    =

    ++++=

    ++++=

    ++++=

    U coeficiente de conductancia combinado. Ejemplo:

    Una fabrica requiere en uno de sus proceso el empleo de un horno cuyas caractersticas se indican en la figura al realizar el anlisis de costos, se determino que en las condiciones actuales, el importe del combustible empleado es excesivo por lo cul se requiere reducir al 45% al valor actual para que dicho proceso sea econmicamente conveniente. Determine la solucin correcta: Ti=450 F To=60 F 1 Lt. de combustible tiene 2500 Btu= 35 ctvos. Rendimiento del horno es de 70% kmadera=0.78 Btu/hr ft2 F por in. ktabique=5 Btu/hr ft2 F por in. Kasbesto=0.3 Btu/hr ft2 F por in. madera tabique asbesto

    To

    Ti

    Q

    1.5m

    2m 20m

  • 8

    1

    23

    3

    2

    2

    1

    23

    3

    2

    2

    1

    1

    1

    17801

    61111

    ++++=

    ++++=

    fkL

    kL

    ..fkL

    kL

    kL

    fU

    En el balance trmico, al hacer el clculo de la transmisin de calor, de los diferentes locales, se deben tener en cuenta las siguientes recomendaciones: 1.- Para muros que colindan con los locales no acondicionados, se considera que la temperatura media de este local es la media aritmtica de la temperatura del local acondicionado y el aire exterior. 2.- Para pisos ubicados directamente sobre le terreno se sigue el mismo criterio anterior, solo para el invierno. Ejemplo: - Calcular la transmisin de calor del local que se muestra en la figura para

    mantener en su interior 20C cuando el exterior se encuentra a 4C. Planta Elevacin 1.- Determinar los coeficientes totales de transferencia de calor:

    60

    50

    30

    40 20C

    30

    Puerta 4x3 24C

    No acondicionada

    18C To=4C

    20C

    30m

    0.5 1.5 1.5

  • 9

    F.CT.U

    .U.U.U

    .wFhrft/Btu.U

    m

    pl

    puerta

    T

    r

    m

    me

    ===

    ====

    =

    65312

    350

    13040

    1314050

    1

    2

    2.- Determinar las prdidas de calor: - Muro exterior

    ( ) ( )[ ] ( )hr/Btu.Q

    ..

    )x.(.x.Q

    TUAQ

    0735650

    2396830480

    1805153100502

    =

    =

    =

    - Por ventanas

    ( ) ( )hr/BtuQ

    ..

    x..Q

    v

    v

    42036

    239680925018051131

    =

    =

    - Techo

    ( ) ( )hr/BtuQ

    ..

    x.Q

    TUAQ

    148800

    2396830480

    14030402

    =

    =

    =

    ( ) ( )hr/BtuQ

    ..

    x.Q

    TUAQ

    18600

    4646830480

    14030402

    =

    =

    =

    - Piso

    ( ) ( )hr/BtuQ

    ..

    x.Q

    TUAQ

    130200

    6536830480

    140603502

    =

    =

    =

    - Muro interior

  • 10

    ( ) ( )hr/BtuQ

    ..

    .x.Q

    TUAQ

    13020

    6536830480

    15360402

    =

    =

    =

    3.- Clculo de ganancias de calor: - Muro interior

    ( ) ( )[ ] ( )hr/BtuQ

    ..

    xx..Q

    TUAQ

    3963

    6827530480

    1344053402

    =

    =

    =

    - puerta

    ( )

    hr/BtuQQ

    Q

    hr/BtuQ

    ..

    .Q

    PT

    g

    p

    384653

    4084

    388737

    121

    682753048012130

    2

    ===

    ==

    2) Las cantidades medias para personas adultas se obtuvieron experimentalmente las cuales se presentan a continuacin: CANTIDADES DESPRENDIDAS DE CALOR POR PERSONA.

    Tipo de actividad Calor sensible (Btu/hr) Calor latente (Btu/hr) Total (Btu/hr)

    Sentados, sin trabajo manual (Escuelas,

    iglesias, bibliotecas, etc.)

    200 130 330

    Sentados con poco trabajo manual (Secretarias,

    ensambladores, etc.)

    215 135 350

    De pie, con ligero trabajo manual

    (Torneros, vigilantes de campo)

    215 185 400

    Caminando ligeramente

    (Empleados de tiendas, bancos, etc.)

    220 230 450

    Caminando lento pero constante

    (Supervisores, meseros)

    220 280 500

    Trabajo manual, 240 510 750

  • 11

    ejercicio ligero. Trabajo medio, deporte

    medio, baile medio. 330 670 1000

    Trabajo pesado, deportes. 500 1500 2000

    2) Alumbrado y Equipo

    Las lmparas usuales en el alumbrado son fuentes de calor que transforman casi toda la energa elctrica que consumen en calor y que se calcula por la siguiente ecuacin: Q= 3.415 w (Btu/hr) 1 W= 3.415 Btu/hr

    Para que el equipo que opera con resistencias elctricas como estufas, parrillas, tostadores, cafeteras, etc., se usa la misma ecuacin anterior.

    Para mquinas que trabajan con motores elctricos, se deben tomar en cuenta que si la mquina y el motor que la acciona, estn dentro del local por acondicionar, Q se calcula como: Q= HP/ (746*3.415) (Btu/hr) 1HP= 746 W Si la mquina esta dentro del local y el motor afuera entonces: Q= HP (2547.6) (Btu/hr) Si el motor esta dentro del local y la mquina afuera: Q= (HP/ - HP) 2547.6 (Btu/hr) 3) Infiltraciones.

    Para el clculo de la cantidad de calor que gana o pierde el local por el aire exterior que penetra al mismo por los orificios de puertas o ventanas el calor se determina por: Q= m Cp T (Btu/hr)

    Es muy difcil determinar en forma analtica la cantidad de aire que entra al local por los orificios. De ah que se ha obtenido experimentalmente el nmero de veces que se renueva el volumen del local en una hora encontrndose los siguientes valores: Locales con puertas y/o ventanas. Cambios/hr - En un muro exterior 0.75 1 - Sin puertas o ventanas al exterior 0.5 - En dos muros exteriores 1 1.5

  • 12

    - Tres muros exteriores 1.5 2 - Ms de tres muros exteriores 2 3

    Los valores inferiores son para construccin de primera calidad y los mximos para construccin regular.

    Generalmente la experiencia nos dice que no es necesario calcular la prdida de calor por infiltraciones, pues el acondicionamiento de aire de un local indica el control de las caractersticas del aire que debe tener para ser introducido al local, de tal manera que el aire inyectado que salga por los orificios de puertas y ventanas como se ha visto es en cantidades pequeas. Una solucin prctica es inyectar un tanto por ciento ms del necesario segn clculos y este depender de las puertas y ventanas del local. Sin embargo para dar una mejor idea de la solucin terica del problema se propone lo siguiente: - Si el volumen de la infiltraciones se expresa en funcin del nmero de

    renovaciones, las prdidas del calor se calculan como sigue: ( )

    255.nTTc

    H os=

    Donde: Hs calor necesario por hora para compensar las prdidas por infiltraciones (Btu/hr) c es el volumen del local en (ft3) n nmero de renovaciones de aire por hora T temperatura del local en F To temperatura del aire exterior 4) Efecto Solar.

    Los rayos solares cuando inciden sobre los muros o techos de los locales calientan su superficie que ocasiona una transferencia de calor hacia el interior del local. La radiacin solar alcanza su mximo entre tres y cinco de la tarde dependiendo de la situacin geogrfica del local.

    El calculo analtico de este efecto requiere del conocimiento de algunas magnitudes que no se obtienen en forma correcta, por lo que se han aplicado mtodos prcticos experimentados que dan una buena aproximacin de la cantidad de calor.

    La diferencia de temperaturas recomendadas para climas templados y colores claros son los siguientes: - para muros orientados al oriente 15F - para muros orientados al poniente 30F - para techos horizontales 40F - para ventanas al oriente 30F

  • 13

    - para ventanas al poniente 50F - para tragaluces horizontales 60F Para climas calurosos aumentar hasta un 50% a los valores anteriores y para muros y techos obscuros aumentar de 20% a 30%. Para muros o ventanas al sur se puede tomar hasta un 80% de los valores para el oriente. Realizar el balance de trmico para el verano del local cuyas dimensiones se muestran en el diagrama. La temperatura exterior es de 35C, la temperatura interior es de 22C, la temperatura del local A es de 22C. el nmero de clientes es de 90, el nmero de empleados es de 15 y el consumo de corriente elctrica es de 12 kW y por equipo 10 kW.

    kWequipokWAlumbrado

    NoNo

    F.CTF.CT

    FCT.U.U.U

    .U.U

    empleados

    clientes

    A

    i

    o

    P

    ME

    PyV

    MI

    T

    1012

    1590

    6712267122

    953540450

    13130350

    ==

    ==

    ====

    =======

    F.TF.C.T

    F.C.T

    TTT

    "A"L

    aconLno

    cocina

    iococina

    ==

    ==++=++=

    383

    383528797536

    82

    223582

    30m

    20m N

    A

    0.5 2 0.5

    T=22C

    N

    30m

    15m 15m

  • 14

    1. TRANSMISIN DE CALOR POR MUROS, PUERTAS Y VENTANAS. - MURO EXTERIOR

    ( ) ( )[ ] ( )hr/Btu.Q

    ..

    .x.x.Q

    TUAQ

    67704

    6719509280150665070450

    =

    +=

    =

    - VENTANAS Y PUERTAS

    ( ) ( )[ ] ( )hr/BtuQ

    ..

    .xx.Q

    40175

    67195092801504270131

    =

    +=

    - MURO INTERIOR

    [ ] ( )

    [ ] ( )hrBtuQ

    xQ

    yhrBtuQ

    xQ

    /3770

    6.717.970928.011533.0

    /1690

    6.713.830928.011533.0

    =

    =

    =

    =

    - TECHO

    ( ) ( )6.713.83*0928.01*20*30*35.0

    =tQ

    hBtuQt /3.26476=

    hrBtuQ

    QQ

    TC

    TC

    /9.798153.264765460401756.7704

    =+++==

  • 15

    2. CALCULO DEL CALOR DESPRENDIDO POR LAS PERSONAS El momento ms desfavorable se tiene cuando el restaurante esta lleno 90 clientes x 200Btu/hr=18000Btu/hr

    15 empleados x 220Btu/hr=3300Btu/hr QT=21300 Btu/hr Nota: - El nico calor desprendido por las personas es el calor latente - El calor desprendido por los alimentos es considerado en la temperatura de la

    cocina 3. CALCULO DEL CALOR DESPRENDIDO POR EL ALUMBRADO Y EQUIPO

    Alumbrado = 12 kW hr/BtuW

    hr/Btu.kW

    409801

    41531103 =

    Equipo=10kW hr/BtuW

    hr/Btu.kW

    341501

    41531103 =

    Nota: el caso ms desfavorable para verano ser entre las 15 y 17 horas que es cuando el alumbrado esta fuera de servicio por lo que su calor desprendido por este se desprecie entonces:. Q =34150Btu/hr 4. CALCULO DEL CALOR GANADO POR EL EFECTO SOLAR. Para la hora ms desfavorable de 15 a 17 horas el sol por su ubicacin ilumina de frente los ventanales del lado poniente. - PARA VENTANAS

    ( ) ( )hr/BtuQ

    .x.

    x.Q

    27965

    15150092801220131

    =

    =

    - PARA MURO

    ( ) ( )hr/BtuQ

    .x.

    x.Q

    3341

    15130092801120450

    =

    =

    Se tiene en cuenta que 32C es el lmite de las temperaturas templadas dando paso a los climas calurosos que se consideran hasta 40C, de ah que las

  • 16

    diferencias dadas en F no se puedan agregar hasta 50% pues andamos en los 35C dndose solo un 15% ms: Qs=31306 Btu/hr

    BALANCE TERMICO PARA VERANO Ganado

    Btu/h Perdido Btu/h

    TOTAL Btu/h

    1.- Calor por transmisin 79816 2.- Calor debido a personas 21300 3.- Alumbrado 34150 4.- Efecto Solar 31306 TOTAL 166572 CALOR QUE DEBE REMOVER EL EQUIPO 166572 0 166572 hrBtuQQT /166572== MISMO EDIFICIO PERO EN INVIERNO To=0C=32F Ti=20C=68F TA=68F TLNA=50F 1. CALCULO DEL CALOR PERDIDO POR TRANSMISIN - MUROS

    ( ) ( )hrBtuQ

    xxQ

    /11820

    68320932.015.0665.07045.0

    =

    +=

    - PUERTAS Y VENTANAS

    ( ) ( )hrBtuQ

    xxQ

    /61980

    68320932.015.0427013.1

    =

    +=

    - MURO INTERIOR

    ( ) ( )hrBtuQ

    xQ

    /5215

    68500932.013033.0

    =

    =

  • 17

    - TECHO

    ( ) ( )hrBtuQ

    xQ

    /40558

    68500932.01302035.0

    =

    =

    - PISO

    ( ) ( )hrBtuQ

    Q

    /52371

    68500928.0160045.0

    =

    =

    2. CALOR GANADO DEBIDO A PERSONAS Q= 15 personas x 200Btu/hr = 3000Btu/hr 3. ALUMBRADO Y EQUIPO Q=40980Btu/hr solo por alumbrado

    BALANCE TERMICO PARA INVIERNO Ganado

    Btu/h Perdido Btu/h

    TOTAL Btu/h

    1.- Calor por transmisin -171944 2.- Calor debido a personas 3000 3.- Alumbrado 40980 TOTAL 43980 -171944 -127964 CALOR QUE DEBE AGREGAR EL EQUIPO -127964 Y el calor total es: hrBtuQQT /127964==

  • 18

    PSICROMETRIA El aire es una mezcla de gases la cul esta compuesta por: Ni 78.03% en volumen O 20.99% en volumen Ar 0.94% en volumen CO2 0.03% en volumen H 0.01% en volumen Ne 0.00123 ppm He 0.0004 ppm Kr 0.00005 ppm Xe 0.000006 ppm

    Los primeros elementos son los llamados componentes normales, siendo los nicos que se toman en cuenta para clculos correspondientes.

    El aire es un compuesto higroscpico ya que puede tomar agua de cualquier elemento que lo contenga, tambin la capacidad de absorcin del agua por el aire depender solo de la cantidad de calor que este contenga: Aire Seco. Es el que no tiene vapor de agua mezclado. Aire Saturado. Es el que contiene el peso mximo posible de vapor de agua en suspensin. Aire Hmedo. Es el que se encuentra entre los dos estados lmites anteriores.

    La capacidad del aire para absorber vapor de agua depende slo de su calor sensible.

    En el aire saturado, el vapor de agua se encuentra as mismo al estado de

    saturacin y en el aire hmedo, el vapor de agua contenido en el se encuentra sobrecalentado. Humedad Absoluta especfica del aire. Es la cantidad de vapor de agua que contiene dicho aire. Humedad Relativa. Es la relacin de la presin del vapor de agua a la presin del aire saturada a la misma temperatura o tambin es la relacin de peso de vapor de agua contenido en el aire al peso del que existe en idnticas condiciones de temperatura y volumen, cuando el aire esta saturado. W = libras de vapor de agua/ libras de aire seco (Humedad especfica) = Humedad relativa (%) 1 Lb de vapor de agua = 7000 granos

    Cuando el aire esta lejos de su punto de saturacin se pone en contacto con el agua, se da la tendencia a que parte del agua se evapora incorporndose al contenido de agua que posea el aire bajo estas condiciones. Si para este caso no se comunica calor del exterior, el absorbido por la vaporizacin del agua se extrae

  • 19

    exclusivamente del aire y del vapor recalentado que este contenga inicialmente. La evaporacin del agua y el enfriamiento del aire continan hasta que el aire se satura de vapor de agua.

    Un proceso de esta naturaleza es donde se absorbe ni cede calor del exterior, se le llama adiabtico siendo su temperatura final conocida como temperatura de saturacin adiabtica que es casi la que corresponde a la temperatura de bulbo hmedo. Calor Sensible.

    El calor sensible del aire es el contenido de energa que posee el aire con relacin a un estado base que es el aire a 0C y se calcula por: Hs = 0.24 Tbs (Btu/Lbas) Dnde: Tbs Temperatura de bulbo seco Calor Latente del Aire.

    Es el contenido de esta forma de energa que corresponde al vapor de agua que tiene el aire en suspensin, determinado por:

    ( ) ( )asarLaLL

    Lb/Btu..........HT..HxHHH

    55061091 ==

    Dnde: HL Calor latente de vaporizacin del agua Tr Temperatura de roco Ha Humedad especfica del aire Temperatura de Roco. Es aqulla a la cual se tiene que llevar el aire para que inicie la condensacin del vapor de agua que contiene. Ley de Dalton. Esta ley establece que la presin que se tiene en un local es la suma de las presiones parciales de todos los gases.

  • 20

    CARTA PSICICROMETRICA Se tiene un aire a una temperatura de 80F Tbs y 67F Tbh a una Pbar = 29.92in/Hg. Determine sus propiedades de la mezcla airevapor de agua usando la carta psicromtrica. De la carta Psicromtrica tenemos los siguientes datos: W=79 gr/lb =51% v=13.84 ft3/lb H=31.7 Btu/lb Tr=60.5F CORRECCIONES DEBIDAS A LAS PRESIONES BAROMTRICAS.

    Hay solo dos propiedades fsicas del aire que no se pueden determinar en forma directa del grfico. Para una presin baromtrica diferente a la normal que son: la humedad especfica absoluta y la humedad relativa. A continuacin se presenta un ejemplo para hacer dichas correcciones: METODOLOGA 1 Tbs=80F Tbh=67F Pbar=24.8 in de Hg=630 mm deHg Pbar=630 mm de Hg, de la carta psicromtrica: P=29.92-24.8=-5.12 -5 P -5 altitud=4800 ft

    67F

    80F

  • 21

    CLCULO DEL CONTENIDO DE HUMEDAD, W ( )( )

    bh

    bhbsTb

    T T

    TTPsPPse bh

    bh 3.12800=

    donde e presin de vapor de agua en la mezcla en (in de Hg) Pspresin de saturacin del agua y del vapor de agua en (in de Hg) Pbpresin baromtrica (in de Hg)

    6668.0=bhTs

    P in de Hg de la tabla que viene en la carta psicromtrica

    entonces ( )( )( )

    Hgdeine

    e

    ..5507.0673.12800

    678066638.08.2466638.0

    =

    =

    Lbgranosw

    ePew

    b

    /87.98

    5507.08.24)5507.0(43534353

    =

    ==

    CALCULO DE LA HUMEDAD RELATIVA =e/es Presin del vapor de agua en la mezcla/Presin del vapor saturado a la Tbs es=1.01316 in de Hg Presin del vapor de saturaDO a Tbs de la Tabla 3.1 del Jennings

    %x.. 5410001316155070 ==

    %54=

  • 22

    METODOLOGA 2 Obtencin de la humedad especfica, w De la carta psicromtrica: w=79 granos/lb

    LbBtuHhDesv

    HlBbTUh

    X

    PP

    wPwP

    ee

    PP

    w

    WwwLbgranosw

    TTww

    lbasBtuh

    lbasgranosw

    fd

    s

    bs

    sd

    s

    P

    as

    bhbs

    FT

    sb

    bh

    /79.3411.0..

    2.3/7.31

    %521000316.1

    54.0

    0316.154.0

    3.984354)8.24(3.98

    4354

    3.98

    3.2078/38.20

    24678001.015.20

    2401.01

    /2.3

    /5.20

    80

    67

    tan

    ==

    ==

    ===

    =+=+

    =

    ==

    =+=+=

    =

    =

    ==

    =

    PSPresin del vapor de agua en la mezcla [e] PdPresin del vapor saturado a la Tbs [es]

    RESULTADOS PROPIEDADES DEL AIRE

    Metodologa 1 Metodologa 2 Cond. a n. m.

    Humedad especfica w, granos/lbas

    98.87 98.3 79

    Humedad relativa , % 54 52 51

  • 23

    La ciudad de Monterrey se encuentra situada en una altura de 1764 ft SNM, la temperatura de bulbo seco promedio es de 72F y la temperatura bulbo hmedo de 57F. Determine las propiedades del aire. Tbs=72F Tbh=57F w=46 granos/Lb H=24.5 Btu/Lb h=0.085 P=-2 in de Hg h=0.79Btu/Lb w=5.1 granos/Lb - Correccin de la humedad (w)

    Lb/nosgra.'w.ww'w

    Lb/nosgra.w

    ..TT

    .'ww bhbs

    06851460685

    068524

    547201011524

    0101

    =+=+=

    =

    =

    =

    - Correccin de la entalpa (H)

    Lb/Btu.H...H

    'hhHH.

    2250850790524

    9229

    =+=++=

    - Correccin de

    %x.

    .PP

    .Ptablas..de

    .P.

    ).(.'w

    P'wP

    d

    s

    FTd

    s

    bs

    bs

    40100790580

    320

    790580

    320068514354922706851

    4354

    72

    ==

    =

    =+=+=

    =

    - Correccin del volumen especfico

    as

    b

    bs

    Lb/ft.v

    ..

    .'wP

    T.v

    33614

    4360068511

    9229460727450

    43601

    4607450

    =

    +

    +=

    +

    +=

  • 24

    RESULTADOS PROPIEDADES DEL AIRE A NIVEL DE MAR 29.92 plg hg

    CORREGIDAS A PRESION LOCAL de 27.92 plg hg

    Pb 29.92 27.92 W 46 51.068 H 24.5 25.2 39 40 v 13.55 14.36

    PROCESO DE ENFRIAMIENTO Tbs1=75F Tbs2=68F Tbh1=68F Tbh2=65.8F v1=13.75 ft3/Lb v2=13.6 ft3/Lb 1=70% 2=90% w1=w2=93 granos/Lb HT1=32.42 Btu/Lb HT2=30.8 Btu/Lb Tr1=65F Tr2=64.9F

    Lb/Btu.Q)(.TCmQ

    HHHLb/Btu...HHH

    p

    LsT

    T

    681

    7568240

    621423283012

    ===

    +====

    &

    1 2

    68F 75F

    w1=w2

    68F

  • 25

    EJEMPLO: Se enfra aire cuya temperatura bulbo seco es de 85F y 70% de humedad relativa hasta que su temperatura bulbo seco y bulbo hmedo sea de 70F. Obtener: 1.- El calor removido 2.- El calor sensible removido 3.- El calor latente removido 4.- La cantidad de agua removida 1. Calculo del calor total HT removido 2. Calculo del Hs removido

    LbBtuHH

    LbLbwLbBtuH

    LbLbwLbBtuH

    HHH

    T

    T

    asa

    T

    asa

    T

    TTT

    /55.63455.40/0157.0

    /34/0189.0/55.40

    2

    2

    1

    1

    21

    ==

    ==

    ==

    =

    ( )Lb/Btu.H

    .HTCH

    s

    s

    ps

    638570240

    ==

    =

    3. Calculo de calor latente removido (HL)

    Lb/Btu.H).(.H

    HHHHHH

    HHH

    L

    L

    sTL

    LsT

    LsT

    95263556

    ==

    =+=

    +=

    4. Calculo cantidad de agua removida

    asa Lb/Lb.w..w

    www

    003200157001890

    21

    ==

    =

  • 26

    HUMIDIFICACION Y CALENTAMIENTO

    Ejemplo: Determinar las cantidades de calor y vapor de agua que se deben agregar a 10000 ft3/min. de aire a 60F Tbs1 y 50F Tbh1 para transformarlo a su estado requerido de 95F Tbs2 y 70F de Tr. ESTADO 1 ESTADO 2 Tbs1=60F Tbs2=95F Tbh1=50F Tbh2=77F v1=13.2 ft3/Lb v2=14.35 ft3/Lb 1=48% 2=45% w1=0.0054Lb/Lbas w2=0.016 Lb/Lbas HT1=20.3 Btu/Lb HT2=40.5 Btu/Lb Tr1=41F Tr2=70F - Clculo de Hs1 y HL1

    Lb/Btu...HHHH

    Lb/Btu.)(.T.H

    L

    sTL

    bss

    95414320

    41460240240

    1

    111

    11

    ===

    ===

    - Clculo de Hs2 y HL2

    Lb/Btu...HLb/Btu.)(.T.H

    L

    bss

    71762254062295240240

    2

    22

    =====

    Tbs1=60F Tbh1=50F

    Tbs2=95F Tr=70F

    Calentador de Agua Vapor de agua roseada

  • 27

    - Clculo de la humedad que hay que agregar

    min/Lt.min/Lbm).(wmm

    min/Lbm.v

    VVAVm

    Lb/Lb.w..w

    www

    aa

    a

    as

    as

    6338010580758

    758213

    10000010580

    005420016012

    ====

    =====

    ==

    =

    &&&

    &

    &&&

    - CLCULO DEL CALOR SENSIBLE AGREGADO

    hr/Btumin/BtuQ.xHmQ

    entoncesLb/Btu...H

    HHH

    s

    s

    sss

    372936621528758

    2841462212

    ====

    ===

    &

  • 28

    Ejemplo: Se tiene una planta en donde hay un desprendimiento de calor sensible por las mquinas de 80000 Btu/hr y adems de 30 kg/hr de vapor. Para mejorar las condiciones interiores se van a circular 5000 ft3/min., de aire exterior de 70F de Tbs y 50 de humedad relativa; calcular las condiciones del aire a la salida del local. Qs=80000Btu/hr=1333.33Btu/min

    sm& =30kg/hr=1.101Lb/min sV& =5000ft3/min

    CONDICIONES EXTERIORES : Tbs1=70F 1=50% Tbh1=58.5F HT1=25.5Btu/Lb v1=13.55ft3/Lbas w1=0.0079Lba/Lbas CALCULO DEL CALOR SENSIBLE DEL AIRE EXTERIOR A LA ENTRADA DE LA PLANTA:

    lbasBTUHH

    TH

    Sex

    Sex

    bsSex

    /8.16)70(*24.0

    24.0

    ===

    CALCULO DE SH EN LA PLANTA:

    ass

    s

    as

    sa

    lbBtuH

    H

    mQH

    HmQ

    /61.35000

    55.1333.1333

    =

    =

    == &

    CALCULO DEL CALOR SENSIBLE DEL AIRE A LA SALIDA DE LA PLANTA:

    lbasBTUHH

    HHH

    SO

    SO

    SSexSO

    /4.206.38.16

    =+=+=

  • 29

    CALCULO DE LA TEMPERATURA DE BULBO SECO DE AIRE A LA SALIDA DEL LOCAL:

    FT

    T

    HT

    bsO

    bsO

    SObsO

    o8524.0

    4.2024.0

    ==

    =

    CALCULO DEL INCREMENTO DE HUMEDAD DEL AIRE EN LA PLANTA POR EL VAPOR AGREGADO:

    hrLbLbvVm asasas /22140min/36955.13

    5000 ==== &&

    a

    S

    aS

    mmw

    wmm

    &&

    &&

    =

    =

    lbaslbshlb

    kglbhkgw /10*97.2)1min/60(*min)/8.369(

    )1/2.2(*)/30( 3== CALCULO DE LA HUMEDAD ESPECIFICA DEL AIRE A LA SALIDA:

    lbaslbsww

    www

    O

    O

    iO

    /010900297.00079.0

    =+=

    +=

    OBTENCION DE LAS DEMAS PROPIEDADES PSICROMETRICAS DEL AIRE A LA SALIDA DEL LOCAL: CON: wo y Tbs del aire a la salida del local: WO=0.0109 lbs/lbas y TbsO=85F Tbh=68 F, Tr=58 F, %41=

  • 30

    VENTILACIN MECNICA Humedad y Aire en Circulacin

    En las zonas de confort se tiene amplios lmites de condiciones climticas dentro de las cuales las personas se sienten igualmente cmodas sin embargo hay otros factores que se deben tomar en cuenta para seleccionar las condiciones de confort ptimas.

    Por esto que no se debe tomar una humedad tal que no sea muy alta ni muy baja a tal forma que lleguen a resecar las mucosas del aparato circulatorio. En general viendo como comodidad e higiene que la humedad debe ser moderada y debe estar entre 25 y 30%. Tambin hay que tener que una humedad alta puede afectar a los materiales con que estn construidos la casa, edificio, local, etc.

    Con respecto al movimiento del aire, se sugiere que fluya cierta cantidad. Si el aire no fluye, el cuerpo queda cubierto de una capa de humedad y temperatura que es removida si el aire se encuentra en movimiento. Las corrientes de aire que apenas se perciben ejercen una accin estimulante, ms si la velocidad es muy alta resulta muy molesto por lo que a continuacin se dan consejos para obtener buenos resultados. 1.- La velocidad mxima que pueden soportar las personas en reposo sin producir molestias es de aproximadamente 50 ft/min. (15.24 m/min.) prefirindose velocidades menores. 2.- Las corrientes de aire no se deben dirigir sobre los ocupantes ni deben incidir sobre sus espaldas. 3.- No debe haber chorros o corrientes de aire a gran velocidad dirigido hacia dentro de los locales ocupados por persona. 4.- No se debe inyectar aire a una temperatura inferior en los locales an ms en invierno.

    La velocidad del aire autorizada esta relacionada con la Tbs. La prctica ha demostrado que las corrientes de aire que inciden sobre la nuca a una velocidad de 18.29 m/min. a 20.55C representan el lmite rayando en el malestar Contaminacin Ambiental.

    Los factores ha tomar en cuenta son los factores de ventilacin, son de gran importancia y se refieren a la pureza del aire local. El aire de los edificios recibe una serie de elementos nocivos para la respiracin como el anhdrido carbnico (CO2), vapor de agua y olores.

    La mayora de las personas respiran con frecuencia de 17 veces por minuto en reposo absorbiendo cada vez 30.5 in3 (500cm3) de aire, 510 Hs/hr , 15.44 kg/da, un poco ms de 3.18 kg de O2.

    El aire inspirado por los pulmones pierde aproximadamente un 5% del O2 que contiene y gana un 3.5 de CO2.

  • 31

    Olores. Los olores ms comunes que se notan en un local habitado emanan del cuerpo humano, de la boca, garganta, pulmones, sudor y ropa usada por lo que hay que evitarlos con acondicionamiento de aire. El polvo viene de la fbrica, carros, desgaste de los pavimentos, etc. CANTIDADES DE AIRES MS CONVENIENTES PARA FINES DE VENTILACIN. Escuelas: - Aulas 50 ft3 por min. por persona. - Aulas de asamblea 15 a 25 ft3 por min. por persona. - Gimnasios 12 renovaciones/hr. - Comedores 15 a 20 renovaciones/hr. - Cocinas 20 a 60 renovaciones/hr. - Vestidores 5 a 10 renovaciones/hr. - Lavabos 10 a 20 renovaciones /hr. Teatros: - Sala de butacas 30 ft3 por min. por persona. - Lavabos 20 a 30 renovaciones /hr. Hoteles: - Salones 30 ft3 por min. por persona - Comedores 10 a 20 renovaciones/hr. - Cocina y lavadores 20 a 60 renovaciones/hr. - Lavabos 12 renovaciones/hr. Hospitales: - Sala 40 a 60 ft3 por min. por persona - Comedores 12 renovaciones/hr. - Lavabos 12 a 30 renovaciones/hr. - Cocinas y lavadores 20 a 60 renovaciones/hr. VOLUMEN REQUERIDO PARA REMOVER UNA CIERTA CANTIDAD DE CALOR SENSIBLE.

    Cuando se necesita suministrar o eliminar una determinada cantidad de calor sensible por medio de un flujo de aire se utiliza la siguiente ecuacin:

    bs

    s

    Txx.H

    V = 600180& Dnde: V& - Flujo volumtrico para remover ese calor sensible en (ft3/min) Hs- Es el calor sensible por suministrar o eliminar en (Btu/hr) 0.018 Calor requerido para elevar la temperatura de un ft3 a nivel del mar

  • 32

    Para alturas diferentes a esta, ste valor se obtiene dividiendo el calor especfico del aire entre el mismo volumen especfico del aire que se considera, o sea: 0.24/v Tbs Es la diferencia de temperatura entre la del aire que se desea mantener en el local y el aire al momento de entrar a dicho local recomendndose los siguientes valores. Tbs 15F Para verano en instalaciones de calidad 20F Para verano en instalaciones comerciales 25F Para verano en instalaciones industriales 40F Para invierno en instalaciones de calidad 50F Para invierno en instalaciones comerciales 60F Para invierno en instalaciones industriales

    FACTORES QUE DETERMINAN LA COMODIDAD

    Se tienen cuatro factores cuya combinacin determina el efecto refrigerante del medio ambiente sobre el cuerpo humano siendo: temperatura, humedad, velocidad del aire y radiacin.

    La temperatura del bulbo seco del local que se analiza se ha usado por mucho tiempo como ndice de comodidad sin embargo es un ndice incompleto.

    El efecto provocado por la humedad y por el flujo de aire es bien conocido pues cuando el aire exterior es muy seco la temperatura requerida para obtener la comodidad es mas elevada debido al efecto refrigerante mas intenso producido por el aire seco.

    La evaporacin de sudor del cuerpo humano, tiene una influencia grande sobre la cantidad de vapor perdido por el cuerpo y a su vez la cantidad de sudor que se evapora y as mismo el efecto de conveccin a medida que la capa de aire en contacto con la piel se renueva repetidamente.

    Las radiaciones calorficas recibidas o emitidas por el cuerpo humano es un factor importante para la comodidad, mas an, no se le da importancia que debiera tener porque no se puede medir.

    Las prdidas de calor por radiacin de las zonas del cuerpo expuestas, as como la de los vestidos, se relacionan con las temperaturas de las paredes que rodean al cuerpo y es independiente de la temperatura del aire. La prdida de calor depende de la diferencia de temperatura superficial media del contorno (temperatura de radiacin media, la cual se obtiene por medio de grficas.)

  • 33

    Temperatura Efectiva.

    Experimentos realizados con un sin nmero de personas ha dado como resultado que hay una relacin entre temperatura, humedad y flujo de aire en la influencia de la comodidad. Cuando los resultados se llevan a grficas psicromtricas se ve que los puntos que representan isocalentamientos caen sobre lneas rectas.

    La temperatura efectiva para el aire esttico, de cualquier punto de la carta psicromtrica, es la temperatura de bulbo hmedo correspondiente a la interseccin a la lnea de temperatura efectiva que pasa por dicho punto con la curva de saturacin. Ejemplo: Que humedad relativa a 77F y 79F de Tbs da una comodidad igual a 75F de Tbs y una humedad relativa de 50% A 75F y = 50%, la Te = 70F Entonces: A 77F la humedad relativa es 34% Y A 79F la humedad relativa es 19%

    En la siguiente tabla se dan los valores de las temperatura efectivas interiores correspondientes a varias temperaturas del exterior llamadas condiciones o temperaturas base de clculo en el cdigo ASHVE que se refiere a las condiciones mnimas para la comodidad a base de aire acondicionado.

    Para las personas que deben permanecer en un local varias horas las temperaturas mayores a 73F resultan muy elevadas y molestas.

    68F 70F

    54F 59F 65F

    Te=65F

  • 34

    Temperatura de las Instalaciones de Acondicionamiento Exterior Interior Tbs (F) Te (F) 105 75.5 100 75 95 74 90 73 85 72 80 71 Temperatura efectiva Verano 69 - 73F Tbsi = 71 85F s = 40 60% Condiciones Recomendadas para Invierno en Interiores Aplicacin Tbs (F) Tbh (F) (%) Te (F) Adultos y nios sanos normalmente vestidos y sentados.

    76/74 */57.4 */35 68/68

    Enfermos, invlidos, vestidos y sentados.

    80/77 */59.7 */35 70/70

    Ocupados que realizan trabajo ligero.

    72/70 */54.6 */35 65/65

    Ocupados que realizan trabajo pesado.

    68/66 */51.5 */35 62/62

    Gimnasios 65 * * 60 Quirfanos 80 76.7 50 74 Cocinas 70 * * 63.5 * Calefaccin sin humidificacin: tomar humedad relativa del 15%

  • 35

    MEZCLAS DE AIRE

    En un gran nmero de casos se necesita mezclar dos estados de aire, tanto para seleccionar el equipo como para resircular el aire, conociendo las caractersticas del aire resultante por medio de los siguientes mtodos: Analticamente:

    T

    ffrrT

    ffrrTT

    T

    bsffbsrrbs

    frT

    bsffbsrrbsT

    mwmwm

    w

    wmwmwmm

    TmTmT

    mmmTmTmTm

    &&&

    &&&&

    &&&&&

    &&&

    +=+=

    +=+=

    +=

    Ejemplo: Calcular el estado final de mezclar 4000 Lbs de aire con un Tbs de 40F y 30F de Tbh con 20000 Lbs de aire de un Tbs de 80F y 50% de humedad. Tbsr=40F Tbse=80F Tbhr=30F e=50%

    rm& =4000 em& =20000 ( ) ( )

    F.T

    xxm

    TmTmT

    mbs

    T

    bseebsrrmbs

    =

    +=+=

    37324000

    8020000404000&

    &&

    Lnea de Acondicionamiento.

    La lnea de acondicionamiento es una lnea recta que trazada sobre la carta psicromtrica une el punto que seala el estado de aire que se requiere mantener en el interior del local con el punto que marca el estado que debe tener el aire al momento de entrar a dicho local para mantener la condicin deseada. Cualquier estado de aire que se encuentre sobre esta recta puede mantener el estado anterior, variando el volumen de aire por inyectar, siendo la longitud de la recta inversamente proporcional al volumen de aire manejado.

  • 36

    PROCESO DE SOLUCIN DE UN PROBLEMA DE AIRE ACONDICIONADO

    Para determinar el estado del aire que debe inyectarse a un local para su

    acondicionamiento se siguen los pasos que a continuacin se enlistan: 1.- Con el balance trmico se determina el calor total sensible por suministrar o eliminar. 2.- Se determina el volumen de aire a la salida del local con la ecuacin dada. 3.- Se verifica que el volumen calculado en el punto anterior, por carga trmica sea suficiente para satisfacer las necesidades respiratorias de los ocupantes, si es menor se toma lo necesario para la ventilacin. 4.- Se calcula el flujo msico de aire que se inyectar al local. 5.- Se determina la temperatura de bulbo seco que debe tener el aire al entrar al local. 6.- Se determina el calor latente por suministrar o eliminar. 7.- Con el dato anterior se determina el calor latente del aire a la entrada. 8.- Con el valor anterior y la temperatura de bulbo seco queda definido el estado del aire que se debe inyectar al local. Ejemplo: Se tiene un taller en donde se desea mantener 75F de Tbs y 50% de humedad relativa; el volumen necesario para los ocupantes es de 30 ft3/min. El aire exterior esta a 96F Tbs y 82F Tbh. Calcular el estado que debe tener el aire al entrar al local y trazar la lnea de acondicionamiento. El balance trmico es: Transmisin 160000 Btu/hr Ocupantes 100 con trabajo medio Equipo 60 HP Efecto solar 95000 Btu/hr Tbse=96F TbsL=75F HTL=28.4Btu/Lb Tbhe=82F L=50% v=13.7ft3/Lb HsT=468000Btu/hr HLT=67000Btu/hr Para un Tbs=25F para este caso Calculamos el flujo volumtrico requerido para remover el calor sensible del local que es:

    min/ftxx.Txx.

    HV

    bs

    s 31733325600180

    468000600180

    ===& Calculamos ahora el flujo volumtrico requerido por respiracin que es:

  • 37

    min/ftxVresp3300010030 ==&

    Entonces tomamos para el calculo el flujo volumtrico mayor que es el del calor sensible. Calculamos ahora el flujo msico

    hr/Lb.min/Lb...

    vVm asasa 47591221265713

    3317333 ==== && con este flujo msico calculamos el Hs que es:

    F...

    .H

    T

    ..HLb/Btu)(.T.H

    Lb/Btu.mH

    H

    sibsi

    si

    bsLsL

    asa

    ss

    =====

    ======

    32492408411

    240

    8411166181875240240

    16675912468000

    &

    ahora calculamos el HL

    Lb/Btu.mH

    Ha

    LL 88075912

    67000 === & con esto el HTi

    asTi

    LisiTi

    LLLLi

    sLTLLL

    LLsLTL

    Lb/Btu.H..HHH

    :entoncesLb/Btu...HHH

    Lb/Bu..HHHHHH

    36215298411

    52988041041018428

    =+=+=

    ======

    +=

    Situando el aire de entrada al local en la carta psicromtrica se ve que esta fuera de la lnea de saturacin.

    Fsicamente esto significa que el volumen terico por circular no es suficiente para arrastrar todo el calor para mantener la temperatura y humedad requerida. Sin embargo por la lnea de acondicionamiento se puede seleccionar el aire representado por el punto A con una humedad del 90% y una Tbs de 56F en donde ya se evita la condensacin obtenindose las condiciones requeridas y estas son:

  • 38

    min/Lb..

    m

    min/ft.V

    min/ftxx.

    V

    FT

    as

    bs

    71664712

    22807

    2280719253317333

    2280719600180

    468000195675

    3

    3

    ==

    =

    =

    ====

    &

    &

    &

    RECIRCULACIN DE AIRE

    En los cines, teatros, oficinas u otro local donde se tienen condiciones limpias y el volumen calculado por carga trmica rebasa el volumen requerido para la respiracin de las personas, se debe aprovechar parte del aire que sale del local para circularlo de nuevo por el sistema, obtenindose una reduccin de gran importancia en la capacidad para el acondicionamiento en lo que se refiere a equipos.

    No esta permitido la recirculacin de aire interior en: quirfanos, lugares donde haya gases txicos o venenosos, vapores nocivos, inflamables o explosivos y salas de enfermos infecciosos. Ejemplo: Se debe acondicionar un restaurante a 72F de Tbs y 50% de humedad, el aire de entrada debe tener 57F de Tbs y 56F de Tbh, el medio ambiente exterior tiene 94F de Tbs y 84F de Tbh, el flujo msico por circular es de 8000 Lb/min y el flujo de aire para la respiracin es de 2000 Lb/min. Calcular: a) El calor sensible y vapor de agua que debe extraer el equipo de

    acondicionamiento considerando que se toma todo el aire del exterior. b) Cantidades que maneja el equipo de acondicionamiento tomando del exterior

    solo el aire para la respiracin. a).-calor sensible por eliminar

    asLe

    seTeLe

    asse

    bsese

    ase

    Te

    Lb/Btu.H.HHH

    Lb/Btu.H)(.T.H

    Lb/nosgrawLb/BtuH

    4425562248

    562294240240

    16248

    ===

    ===

    ==

    asLi

    siTiLi

    assi

    bsisi

    asi

    Ti

    Lb/Btu.H..HHH

    Lb/Btu.H)(.T.H

    Lb/nosgrawLb/Btu.H

    171068138523

    681357240240

    656523

    ===

    ===

    ==

  • 39

    ( ) ( )

    min/Lt.min/nosgraw)(wmw

    Lb/nosgrawwww

    TR.hr/Btumin/BtuQ..HHmHmTCmQ

    a

    as

    ei

    sesiasapa

    3350776000978000

    97

    16265

    2355426240071040

    52268138000

    ====

    ===

    =======

    &

    &&&

    (b)

    asT

    T

    eerrT

    mbs

    T

    bseebsrrmbs

    e

    r

    Lb/nosgraw

    xxm

    wmwmw

    F.T

    xxm

    TmTmT

    min/Lbmmin/Lbm

    848000

    1622000586000577

    8000942000726000

    20006000

    =

    +=+==

    +=+===

    &&&

    &&&

    &&

    min/Lt.w)(w

    min/BtuQ).(x.xQ

    TCmQ pa

    52984658000

    39360575722008000

    ==

    ==

    = &

  • 40

    Ejemplo: Una empresa se debe acondicionar a 75F de Tbs y 60% de humedad, las condiciones del aire de entrada son 104F de Tbs y 67F de Tbh. El aire exterior esta a 40F de Tbs y 50% de humedad, si el flujo msico a circular es de 10000 Lb/min. Calcule el volumen del aire y el de recirculacin requeridos para el acondicionamiento del aire con el equipo mnimo.

    min/Lbm 10000=& Tbse=40F Tbsi=104F TbsL=75F e=50% Tbhi=67F L=60% L=10cm mT=10000Lb/min L=3.7cm mr=3700Lb/min L=6.3cm me=6300Lb/min

    l

    l

    l

    40F Tm 75F 104F

    wi wi we

  • 41

    EQUIPOS PARA ACONDICIONAMIENTO DE AIRE

    Los equipos que se necesitan para transformar el estado psicromtrico del aire son varios y convencionalmente para la seleccin de ellos se toma como base un estado caracterstico del aire el cual se conoce como aire normal o aire estndar, correspondiente a un aire a presin baromtrica del nivel del mar de 70F de Tbs y 50% de humedad relativa, por lo que al seleccionar un equipo de altura diferente y distintas caractersticas se debe hacer la transformacin correspondiente. Lavadora de Aire Una lavadora de aire consiste en: 1.- Filtro para aire 2.- Banco de roseadores. 3.- Roseadores. 4.- Cmara de roseadores. 5.- Roseador para eliminadores. 6.- Eliminadores. 7.- Succin 8.- Bomba 9.- Derrame 10.- Alimentacin de agua

    Lavadora de Aire

    1 2 3

    4

    6

    5

    8

    7

    9

    10

  • 42

    Para el anlisis de los procesos que sigue el aire a travs de la lavadora se

    parte de tres suposiciones tericas que son: 1.- El rea de intercambio de calor entre el aire y el agua es constante. 2.- La temperatura de agua se mantiene constante independientemente del intercambio de calor que exista. 3.- La longitud de la lavadora es suficientemente grande para permitir que el aire llegue a la saturacin completa.

    Ft;ttt Ba = 86 En realidad no se satisfacen las tres condiciones. El proceso que sigue

    realmente, es una curva que al principio sigue a la recta y se va alejando de ella hasta terminar en el punto ta que marca la temperatura del agua, cuando ya intercambiado el calor, es decir, cuando cae al tanque de recoleccin y el estado final del aire es el indicado por el punto B localizado sobre la curva del proceso real y la interseccin de la curva del % de humedad que puede suministrar la lavadora.

    Estas curvas se proporcionan por los fabricantes y la diferencia de temperatura del agua que es roseada y la que tiene al caer al tanque es de aproximadamente de 6 a 8F.

    Los procesos que se pueden dar en un lavadora son cinco y dependen solo de la relacin entre la temperatura del agua al momento de ser roseada (ta) y las tres temperaturas del aire, Tbs, Tbh y Tr. En la tabla siguiente se dan estos datos.

    ta ta

    B A

    (---) Proceso real (__) Proceso ideal

  • 43

    Procesos de Lavadora de Aire. Temperatura El aire se Hs HL HT w

    El agua se Y se debe

    ta>Tbs> Tbh>Tr Calienta y humedece Enfra Calentar

    Tbs>ta> Tbh>Tr Enfra y

    humedece Enfra Calentar

    Recirculacin Enfra y humedece C -------- --------

    Tbs>Tbh>ta>Tr Enfra y

    humedece Calienta Enfriar

    Tbs>Tbh>Tr>ta Enfra y se

    seca Calienta Enfriar

    Intercambiador de Calor.

    La lavadoras de aire no suministran aire de bajo porcentaje de humedad y temperatura de bulbo seco adecuada, para proceso de calentamiento siendo necesario otro equipo conocido como serpentn de calentamiento que consiste de dos cabezales de tubo de cobre unidos entre si por una serie de tubos del mismo material y aletados, por lo general de aluminio que es por donde pasa el aire en flujo cruzado. Para hacer una buena seleccin se necesita conocer: 1) Area de paso por donde circula el aire incluyendo el espesor de las aletas. 2) Velocidad de paso (velocidad del aire a travs del rea de paso) cuyos valores

    se recomiendan: Para instalaciones muy silenciosas 200 - 400 ft/min. Para instalaciones silenciosas 400 - 600 ft/min. Para instalaciones comerciales 600 - 800 ft/min. Para instalaciones industriales 800 - 1200 ft/min. 3) Nmero de aletas por pulgada (cantidad de aletas que tiene esta unidad) 4) Nmero de hileras de tubos ( cantidad de hileras que encuentra el aire a su

    paso) ( comercialmente se fabrican en una o dos hileras) 5) Temperatura de bulbo seco inicial (la que corresponde a la entrada del

    serpentn) 6) Temperatura de bulbo seco final (la que corresponde a la salida del serpentn) 7) Condensado por hora (Lb de vapor/hr que se debe suministrar al serpentn por

    ft2 de rea de paso para dar el calentamiento requerido) 8) Presin de trabajo (Es la presin que corresponde al vapor saturado seco que

    alimenta al serpentn).

  • 44

    Ejemplo: En un local comercial se requiere calentar 12000 ft3/min. de aire de una Tbs de 60F y una humedad relativa de 60% a una Tbsf de 188F. Seleccione la unidad adecuada y determine el flujo msico de vapor de 15 Lbf/m2 para satisfacer dicha necesidad. Tbsi=60F v=700ft/min m& =102.9Lb/hrft2 Tbs2=188F De tablas: Serie 96 aletas por ft2 Hileras=4 - calculo del rea de paso

    21417700

    12000 ft.vVA === &

    - flujo msico de vapor

    hr/Lb.x.wAms 176414179102 ===&

    Tbs=60F =60%

    Tss2=188F

  • 45

    Ejemplo: Se requieren calentar 500Lb/min. de aire de 40F de Tbs y 50% de humedad hasta 70F de Tbs. Cul es el serpentn adecuado para una instalacin muy silenciosa?. P = 15Lb/in2

    hr/Lb..x.wAmhrft/Lb.w

    ft.A

    min/ft.x.vmVmin/Lb.mmin/Lb.m

    oresolviendmm

    xmm

    mmm

    TmTmT

    min/ftVmin/ft.xvmV

    in/Lbm

    s

    e

    r

    e

    er

    er

    er

    T

    bseebsrrmbs

    min

    a

    a

    582616513319319

    55134005421

    5421651257428

    4287157428

    5005000764082

    76500

    4082400

    63256512500

    500

    2

    2

    3

    3

    ====

    =====

    ==

    =+=+

    =+=+==

    ====

    &

    &&&&

    &&&&

    &&&

    &&

    &&&

    Tbs=40F =50% v=12.65ft3/Lb Tss2=76F

    T=82F

    40F

  • 46

    Enfriadores de Aire Este tipo de unidades es similar en su fabricacin a las de calentadores as: 1) Area de paso por donde circula el aire incluyendo el espesor de las aletas. 2) Velocidad de paso (velocidad del aire a travs del rea de paso) cuyos valores

    se recomiendan: Para instalaciones silenciosas 400 ft/min. Para instalaciones comerciales 500 ft/min. Para instalaciones industriales 600 ft/min. 3) Nmero de hileras de tubos ( cantidad de hileras que encuentra el aire a su

    paso) 4) Nmero de aletas por pulgada. Es la cantidad de aletas que tiene serpentn por

    pulgada. 5) Temperatura de succin o del refrigerante. Es la correspondiente al vapor del

    refrigerante que fluye por el serpentn. 6) Btu/hr Es la que se indica en las tablas y es la cantidad en ft2 de rea de paso

    por el serpentn que se requiere eliminar de este para tener las condiciones deseadas.

    7) Son las condiciones iniciales del aire a la entrada del serpentn a temperatura de bulbo seco y temperatura de bulbo hmedo.

    8) Condiciones finales. Temperatura de bulbo seco y hmedo a la salida del serpentn.

  • 47

    Ejemplo: Seleccionar el serpentn para enfriamiento para un acondicionamiento de aire en donde es necesario cambiar 2000Lb/min. de aire de 85F de Tbs y 70F de Tbh a un estado final de 51.6F de Tbs y 51F de Tbh. Las instalaciones son comerciales e indique tambin la temperatura de succin requerida y la capacidad del compresor. Para instalacin comercial V=500ft/min v=14ft3/Lbas 28000142000 === xvmV &&

    256500

    28000 ftVVA === &

    De tablas: Q=28450Btu/hrft2 Con 7 hileras Ts=40F Entonces:

    TR.hr/BtuxA"QQ 413716492005629450 ====

    Tbs=85F Tbh=70F m=2000Lb/in

    Tbs=51.6F

  • 48

    Ejemplo: En una fbrica se necesita en su interior mantener 78F de Tbs y 50% de humedad cuando el aire exterior esta a 100F de Tbs y 79F de Tbh el aire de entrada debe tener 68F de Tbs y 70% de humedad; el flujo msico de aire por circular es de 1000 Lb/min. Determinar: a) El equipo para el acondicionamiento b) Capacidad del compresor o caldera segn se requiere c) Flujo de aire exterior y cantidad de aire de recirculacin TbsL=78F Tbse=100F Tbsi=78F L=50% Tbhe=79F i=70% mT=1000Lb/min

    para: V=600ft/min Tbsm=85F Tbhm=70F Tenemos un enfriador de: Tbsx=60.8F Tbhx=59.1F Ts=45F Q=22030Btu/hrft2

    TR.hr/BtuQentonces

    ft.VVA

    min/ftxvmV

    8342514033

    3323600

    140001400014100

    2

    3

    ==

    ======

    &&&

    y ahora calculamos un calentador para obtener las condiciones deseadas a la entrada del local

    min/Lbmmin/Lbm

    oresolviendmm

    xmm

    r

    e

    er

    er

    682318

    10008510001078

    ==

    =+=+

    &&

    &&&&

  • 49

    donde: T2=82.72F se obtiene interpolando de las tablas de calentadores Entonces:

    Que es el rea del calentador Ventiladores Los ventiladores sirven para dar energa cintica al aire por medio de sus hlices o rotor la cual se transforma en energa de presin para vencer las resistencias o rozamientos. Clasificacin de Ventiladores. a) Axiales: - De hlices de espesor constante - De hlice de espesor variable - Turbo axiales. b) Centrfugos: - Con rotor de aspas inclinadas hacia delante. - Con rotor de aspas planas. - Con rotor de aspas inclinadas hacia atrs. - Turbo sopladores. Seleccin de un Ventilador. Para realizar una correcta seleccin del ventilador se requiere conocer las caractersticas con el fin de solicitar al fabricante la unidad adecuada. 1. Capacidad de gasto. Es el nmero de ft3/min. que puede suministrar el

    ventilador satisfaciendo la condicin siguiente. 2. Presin esttica. Es la cantidad de energa de presin que desarrolla el

    ventilador a la salida del mismo y que le ser til para vencer las resistencias. 3. Velocidad angular. Es el nmero de RPM a que debe trabajar la unidad para

    que impulse el volumen requerido desarrollando a presin esttica necesaria.

    26431200

    54368543683135328

    53285671

    10006810007282860

    ft..VVA

    ..x.vmVmin/Lb.mmin/Lb.m

    oresolviendmm

    xm.m.

    c

    c

    e

    ec

    ce

    ======

    ==

    =+=+

    &&&

    &&

    &&&&

  • 50

    4. Potencia. Es la que debe suministrarse a la flecha del ventilador para que satisfaga las condiciones anteriores.

    5. Se conoce como ventilador simple ancho simple entrada, el que succiona el aire por uno de sus costados y doble ancho doble entrada cuando succiona por los dos lados.

    6. La rotacin de un ventilador siempre deber ser hacia la descarga. 7. Posicin de descarga, es la direccin en que enva el ventilador a la corriente

    de aire que impulsa. 8. Arreglo, Es la forma de colocar el rotor en relacin a los rodamientos. 9. Clase, es el tipo de construccin empleada y resistencia de materiales en

    funcin de la presin esttica contra la que va a trabajar. Clase 1. Hasta 2 de Ps y Tbs = 200F Clase 2. Hasta 6 de Ps y Tbs = 400F Clase 3. Hasta 12 de Ps y Tbs =600F Clase 4. Hasta 16 de Ps y Tbs = 800F 10. Temperatura de operacin, es la Tbs de los gases o aire que maneja el

    ventilador. 11. Presin baromtrica, es la del lugar. 12. Leyes de los ventiladores. Se conocen como leyes de ventiladores a las

    relaciones que hay entre las diferentes magnitudes de ellos siendo las mas importantes:

    Primera. La capacidad de ventilador es directamente proporcional a la velocidad angular.

    2

    1

    2

    1

    ww

    QQ =

    Segunda. La presin esttica desarrollada por un ventilador es directamente proporcional al cuadrado de la velocidad angular.

    2

    2

    1

    2

    1

    =ww

    PP

    s

    s

    Tercera. La potencia requerida de un ventilador es directamente proporcional al cubo de las velocidades angulares.

    3

    2

    1

    2

    1

    =ww

    HPHP

    Cuarta. La presin esttica desarrollada por un ventilador es directamente proporcional a la presin baromtrica. Ps = Pb

  • 51

    Quinta. La presin esttica suministrada por un ventilador es inversamente proporcional a la temperatura absoluta de bulbo seco del aire o gases que impulsa.

    absbs

    s TP

    = 1

    Sexta. La potencia requerida es directamente proporcional a la presin baromtrica. HP=>Pb Sptima. La potencia necesaria para impulsar un ventilador es inversamente proporcional a la temperatura absoluta de bulbo seco del aire o gas que maneja.

    absbsT

    HP

    = 1 Procedimiento para la seleccin del ventilador.

    1. Se determina el gasto de aire o gases por manejar. 2. Se calcula la presin esttica contra la cul va a trabajar en el lugar de

    instalacin. 3. Con la presin baromtrica y la Tbs de gases por manejar se verifica a

    correccin de la presin esttica para manejar aire estndar. 4. Con el gasto y la presin esttica corregida a condiciones estndar, se

    entra al catlogo del fabricante el cual proporciona el tamao del ventilador adecuado, indicando el nmero de RPM, la potencia requerida y la clase de unidad correspondiente.

    5. Con los datos anteriores se corrige la potencia del catlogo para el lugar de instalacin con los datos de presin baromtrica y Tbs-abs del aire o gases.

    6. De acuerdo con la colocacin del ventilador en el sistema y con la temperatura de operacin se determinan las caractersticas constructivas detalladas en los puntos 5 a 9.

  • 52

    Ejemplo: Un ventilador esta trabajando a 600 mm de Hg de presin baromtrica. Impulsa 10000 ft3/min. de aire de 110F de Tbs trabajando a 480 RPM y requiere de 7 HP; ste ventilador se traslada a un lugar a 700 mm de Hg en donde se desea proporciones 11000 ft3/min. de aire de Tbs de 300F. Calcular las RPM, la presin esttica y la potencia en las nuevas condiciones de operacin, sabiendo que en las condiciones iniciales su presin esttica es de 1.5 in de H2O. Pb1=600mm de Hg Pb2=700mm de Hg

    1V& =10000ft3/min 2V& =11000ft3/min Tbs1=110F Tbs2=300F w1=480RPM w2=? HP1=7 HP2=? Ps1=1.5 in de Hg Ps2=? De la primera Ley:

    RPMwQQ

    w

    ww

    QQ

    52810000110004801

    1

    22

    2

    1

    2

    1

    =

    ==

    =

    De la segunda Ley

    Hg..de..in..Pww

    P

    ww

    PP

    ss

    s

    s

    815148052851

    2

    1

    2

    1

    22

    2

    2

    1

    2

    1

    =

    =

    =

    =

    De la tercera Ley

    HP.HPww

    HP

    ww

    HPHP

    31794805287

    3

    1

    3

    1

    22

    3

    2

    1

    2

    1

    =

    =

    =

    =

    Modificacin de la presin esttica por presin baromtrica y temperatura (4ta y 5ta Ley)

    OH..de..in..TT

    PP

    PPbs

    bs

    b

    bss 2

    2

    1

    1

    22 5881760

    5706007008151 =

    ==

  • 53

    y de la sexta ley para la potencia:

    HP..TT

    PP

    HPHPbs

    bs

    b

    b 1528760570

    6007003179

    2

    1

    1

    22 =

    == Ductos, Equipos de Difusin y Sistemas de Operacin. Ductos. Para conducir el aire se emplea tuberas construidas de acero galvanizado o de aluminio con ciertas especificaciones. La seccin ms usada es la rectangular y en menor grado cuadrada, la seccin circular solo es usada para altas velocidades. Seccin cuadrada Seccin Rectangular Seccin Circular Las de seccin circular tienen las desventajas siguientes: a) Es ms costoso por la mano de obra especializada. b) Es ms costosa su construccin por ser laborioso. c) Es ms difcil de soportar. d) Deja espacios ociosos alrededor del ducto. Ducto rectangular. Esta construccin es la ms usual pues da mayores ventajas para su colocacin construyndose sus lados en relacin de 1 a 1.5

    a

    b

    a

    a

    a=1.5b

  • 54

    Calibre de Lmina de Hierro Galvanizado. Lado mayor del ducto Calibre AWG Hasta 12 in 26 De 13 a 30 24 De 31 a 60 22 De 61 a 100 20 Ms de 100 18 Clculo para Determinar la Prdida por Rozamiento. La ecuacin es:

    2

    4005

    = vcDLhf

    Dnde: hf Es la prdida por rozamiento en (in de Hg) L Longitud total de la tubera en (ft) D Dimetro de la tubera en (ft) v - Velocidad del aire en (ft/min.) c Constante de rugosidad cuyos valores son: c 40 con uniones soldadas 50 Para uniones engargoladas 60 Para uniones a tope Dimetro equivalente de una seccin rectangular. Es el que corresponde a la seccin circular que conduciendo el mismo gasto tenga la misma prdida de rozamiento por unidad de longitud y se expresa como:

    ( ) 2520626031.

    .

    eqba

    ab.D += , y para clculos rpidos baabDeq +=

    2

    Procedimiento para el clculo de redes. Existen tres procedimientos para el clculo de las redes de ductos y son: 1.- Por medio de seleccin de velocidades. Esta consiste en fijar la velocidad de circulacin del aire en cada tramo y con el gasto correspondiente se determina la seccin; la inconveniencia es que es muy laborioso agregndose de que existen prdidas dinmicas fuertes por turbulencia excesiva en algunos tramos del sistema, recomendndose para sistemas pequeos.

  • 55

    2.- Por medio de la cada de presin mxima. En este procedimiento, se fija una prdida mxima por rozamiento y calcular los diferentes tramos en tal forma que no se rebase el valor fijado previamente para el rozamiento; los inconvenientes son similares al anterior aunque con mayor riesgo. 3.- Con igual rozamiento. Este procedimiento es el ms sencillo y el ms rpido y requiere que cualquier ramal del sistema, independientemente del gasto que circule, tendr la misma prdida de presin por unidad de longitud. Para este mtodo partiendo del rozamiento resulta la ecuacin siguiente:

    3740

    11

    .nn

    QQ

    =

    En dnde: n Dimetro a calcular 1 Dimetro principal de ramal. (El que conduce la totalidad del aire que maneja el sistema) Qn Flujo volumtrico del tramo considerado Q1 Gasto total del sistema. (Flujo volumtrico total del sistema en ft3/min.) Las velocidades para la circulacin del aire recomendadas en las redes de ductos son: Hasta 800 ft3/min. Para instalaciones muy silenciosas De 900 1000 ft3/min. Para instalaciones silenciosas De 1000 1500 ft3/min. Para instalaciones comerciales De 1500 2200 ft3/min. Para instalaciones industriales El fin del clculo para redes de flujo es determinar: a) La seccin de cada uno de los diferentes tramos para su construccin. b) Estimar el peso del material necesario para la construccin de la red, para

    conocer su costo y considerar esta carga. c) Para determinar la prdida por rozamiento y as seleccionar el ventilador. d) Para determinar la cantidad de material aislante trmico e impermeabilizante

    para cubrir los ductos. Esto es muy importante ya que hay que tener en cuenta la transmisin de calor que afecta el estado psicromtrico del aire. El impermeabilizante es fundamental en lugares hmedos para evitar la condensacin y produccin de gotas que daara muros y plafones.

  • 56

    Clculo de una red de ductos. En un local comercial se requiere para su acondicionamiento de una circulacin de 20000 ft3/min, necesitndose 6 puntos de inyeccin, cuyos volmenes indican a la figura indicndose tambin la longitud de cada tramo.

    Ducto No. CFM %

    Ramal (in)

    Lado a (in)

    Lado b (in)

    Calibre Lb/ft L (ft) Lb

    Perimetra (ft2/ft)

    Forro de

    ramal (ft2)

    1 20000 100 50 62.5 41.6 20 30.7 20 614 17.33 346 2 5000 25 30 37.5 25 22 15.8 15 237 10.41 156

    3 15000 75 50 62.4 41.6 20 23.5 35 822.5 17.33 606.55 4 4000 20 30 37.5 25 24 14.75 10 147.5 10.41 104.1 5 1000 5 10 12.5 8.33 26 7.6 15 144 3.47 52.05 6 3000 15 20 25 16.66 26 13 20 260 6.94 138.8 7 11000 55 40 50 33.33 24 21 40 840 13.88 555.2 8 4000 20 30 37.5 25 24 15 50 750 10.41 520.5 9 7000 35 30 37.5 25 24 19 20 380 10.41 208.2 10 3500 17.5 20 25 16.66 26 14 30 420 6.94 208.2 11 3500 17.5 20 25 16.66 26 14 30 420 6.94 208.2

    1

    2

    3

    6

    4

    5

    10

    7

    8

    11

    9

  • 57

    Clculo de las prdidas por rozamiento para la seleccin del ventilador en el sistema. Consideraciones - Prdidas en filtros para aire exterior a condiciones normales 500 ft/min. 0.3 hs 0.4 in de H2O - Para serpentines de refrigeracin Hasta 6 hileras 0.25 hs 0.5 in de H2O De 6 a 10 hileras 0.5 hs 0.65 in de H2O - Para serpentines de calefaccin De 1 a 2 hileras 0.2 hs 0.4 in de H2O - Lavadoras

    500 ft/min hs = 0.25 in de H2O - Para lavadoras especiales 3 bancos de roceadores hs = 0.3 in de H2O - Ductos Toma de aire exterior Inyeccin Retorno Descarga al exterior - Compuertas o deflectores 0.2 hs 0.3

  • 58

    REFRIGERACIN

    Refrigeracin es el proceso termodinmico mediante el cual se reduce la temperatura de un cuerpo o un espacio determinado quitndole una parte del calor natural. Comnmente la refrigeracin es la mecnica y consiste en comprimir algn gas o refrigerante para despus exprimir o consumir en su expansin el calor que contiene. Sistema de Refrigeracin Mecnico. El sistema de refrigeracin mecnico consiste de las siguientes etapas: a) Comprensor b) Condensador c) Recipiente de refrigerante d) Vlvula de expansin e) Evaporizador f) Espacio local a enfriar

    c

    4

    d

    b

    3

    f

    a

    1 2

    e

    P

    h

    Qf

    Qa 4

    2

    3

  • 59

    Refrigeracin por Absorcin Aqu se emplea un pequeo mechero de gas, petrleo o aceite para producir el calor y la presin que necesita el sistema. Refrigerantes Un refrigerante es cualquier compuesto qumico que se usa para absorber, transmitir y ceder calor en el proceso de refrigeracin. Tambin se puede usar como refrigerante el agua o el aire, sin embargo no son tan eficientes como algunos refrigerantes qumicos que absorben el calor con mayor facilidad por evaporacin a temperaturas bajas y lo ceden con la misma facilidad por condensacin. Caractersticas de un buen Refrigerante. 1. Calor latente de evaporacin elevado 2. Punto de ebullicin bajo a la presin atmosfrica 3. Presin y temperatura de condensacin 4. No ser perjudicial 5. No ser inflamable y explosivo 6. No ser corrosivo con los metales 7. No debe perjudicar a los aceites lubricantes 8. Debe poseer una composicin qumica estable 9. Debe ser fcil de identificarse cuando se fugue. 10. De costo bajo Refrigerantes Usados El amoniaco (NH3) se usa mucho en las grandes instalaciones industriales y comerciales, es txico y por motivos de su accin corrosiva se usar en partes que no sean de cobre o aleaciones de cobre. El anhdrido carbnico C(OH)2 fue usado por mucho tiempo como un refrigerante de seguridad, la exposicin a l en un espacio cerrado no es peligroso a excepcin cuando hay concentraciones altas. La familia de los hidrocarburos fluoroclorados, llamados freones o genetrones, que se usan mucho actualmente en unidades pequeas y medianas como por ejemplo: el triclorotrifluorometano CCl3F3 (F 11), diclorofluorometano CCl2F2 (F 12), Monoclorodifluorometano CHClF2 (F 22), Triclorometano (F 113) Para trabajos industriales es usado el butano C4H12, el propano C3H8 y a bajas temperaturas el etano C2H6. Todos estos refrigerantes se han estado aplicando bastante, sin embargo por motivos de la destruccin de la capa de ozono por su alto uso de estos compuestos, hoy en da en el mercado existen refrigerantes que no son del tipo de los fluorocarbonados como los artrones que no daan la capa de ozono.

  • 60

    En teora una Lb de refrigerante que pase por una vlvula de expansin y circula despus por el evaporador debera absorber una cantidad de calor igual a su calor latente de evaporizacin pero al pasar por la vlvula de expansin sufre un cambio brusco de presin y por lo tanto su punto de ebullicin, habiendo una evaporacin sbita de una parte de ese refrigerante, el cual transformado en vapor ya no absorbe calor al circular por el evaporador. Se conoce como refrigerante evaporado a la parte de ste que cambia de estado lquido a vapor inmediatamente despus de la vlvula de expansin y se calcula por:

    12

    14

    fg

    ffE

    LBP

    LBPLgAPE

    hhhh

    R%

    hhh

    R%

    =

    =

    Dnde: hLAP Calor de lquido a alta presin hLBP Calor de lquido a baja presin hLSP Calor latente de evaporizador Efecto Refrigerante Es la cantidad de calor que absorbe efectivamente una Lb de refrigerante a su paso por el evaporador y se calcula como:

    ( )[ ] ( )

    LBPTBP

    LBPLBPLSP

    hHERhRE%hRE%hER

    === 1

    P

    h

    4

    2

    3

    BP

    AP

    4

    1 2

    3

  • 61

    Ejemplo: Un sistema de refrigeracin necesita 10 TR, operando con refrigerante R12 a 28F de succin y 96F de descarga. Calcule la cantidad de refrigerante evaporada que pasa por la vlvula de expansin; el peso del refrigerante que debe circular y el volumen de vapor que se producir en el evaporador. A la temperatura de descarga: hfAP=30.18Btu/Lb A la temperatura de succin: hfBP=14.32Btu/Lb hfgBP=67.07tu/Lb

    ( )[ ] ( )( ) Lb/Btu..x.ER

    hRE%hRE%hER

    ..

    ..h

    hhR%

    LBPLBPLSP

    LBP

    LBPLgAPE

    215107672364011

    236400767

    32141830

    ====

    ===

    El flujo volumtrico requerido de refrigerante ser:

    min/ft.

    mV

    ft/Lb.

    min/Lb.ER

    Qm

    )ER(mQ

    r

    r

    r

    r

    r

    3

    3

    38021

    39021

    392151

    10

    ====

    ====

    &&

    &

    &

  • 62

    RENDIMIENTO VOLUMTRICO PARA COMPRESORAS RECIPROCANTES OPERANDO CON R-12 R.C V 2 77.5 2.2 76.9 2.4 76.2 2.6 75.3 2.8 74.5 3.0 73.7 3.2 72.9 3.4 72.0 3.6 71.3 3.8 70.4 4.0 69.6 4.2 68.8 4.4 68.0 4.6 67.2 4.8 66.4 5.0 65.5 5.2 64.8 5.4 64.0 5.6 63.3 5.8 62.5 6.0 61.9 Volumen de vapor producido en el evaporador

    V = ------------------------------------------------------------ Desplazamiento de la compresora P abA R.C.= ---------- P abB Para determinar la T succin, se considera que debe de ser de B a 10 F debajo de la que se desea obtener en el medio por enfriar. En unidades preconstruidas los fabricantes dan el valor de Ts y el del fluido por enfriar. P/ T COND. Es necesario conocer el medio de condensacin como enfriamiento por: a) Aire FcondenEleTbsT ENTCOND 10..var ++=

  • 63

    b).- Enfriamiento por medio de agua. Para el caso de enfriamiento de los condensadores por agua, hay dos casos, el primero muy limitado, que cuando se dispone de agua en abundancia para la condensacin, como es el caso de barcos o plantas instaladas a la orilla del mar o rios, aqu la temperatura de condensacin ser de 20 F arriba de la temperatura media del agua disponible en verano. En la mayora de los casos el agua es cara, por lo que se debe recircular, requirindose enfriarla por las torres de enfriamiento. En una torre de enfriamiento, el factor determinante es la Tbh del aire que circula por ella, enfrindose rociada hasta 10 F arriba de la Tbh mencionada. Considerando que los condensadores enfriados por agua se disean para una elevacin de la temperatura del agua que circulapor ellos, de 10 F, la temperatura de condensacin es:

    FTbhTFCondenElevacinFTbhT

    COND

    COND

    3010.....10

    +=+++=

  • 64

    Problema.- Se desea enfriar 10 000 L/hr de agua de 80 F a36 F por un sistema de refrigeracin, que va a ser enfriado por agua la que a su vez circulara por una torre de enfriamiento. El aire del medio ambiente exterior est a 100 F b.s. y 80 F b.h. Calcular las rpm a que debe trabajar una compresora de 2 cilindros de 4 plg de dimetro por 5 plg de carrera manejando amoniaco para obtener el enfriamiento.

    3

    lg5lg

    ..2?

    80100

    3680

    ...10000

    NHpL

    apCIlindros

    rpmFTbhFTbs

    FTFT

    AguahrLV

    ==

    ===

    ===

    &

    FTdFTs1103080

    261036=+===

    Capacidad de la unidad ( )

    FLbBtuCp

    hrLb

    kgLb

    hrkgm

    mkg

    Lm

    hrLm

    VmTTCpmQ

    a

    ifaa

    1

    22026454.0

    10000

    10001000110000 3

    3

    =

    ==

    ==

    =

    &

    &

    &&&

    ( )

    hrBtuQ

    BtuQ

    FFlb

    BtuhrlbQ

    969144

    min16152

    8036

    122026

    =

    =

    =

    Efecto Refrigerante E.R. ( )

    LbBtuER

    hhhREREhhRE fAPTBPfBPfBPfBP

    4.452

    61940167%1%..

    =====

  • 65

    Flujo msico del refrigerante rm&

    min7.35

    4.452

    min16152

    .Lb

    LbBtu

    Btu

    REQmr ===&

    Flujo volumtrico del refrigerante rV&

    min63.186

    1913.0

    min7.35 3

    3

    ft

    ftLb

    lbm

    Vr

    r === && A

    31913.0

    26

    ftlb

    FTs

    r ==

    Relacin de compresin

    49.49.54

    247. ===abB

    abA

    PPCR

    Eficiencia volumtrica V

    Con R.C.=4.49 6.67==DV

    V

    & Para R-12. Para el NH3 se aumenta 10% de los datos de la tabla

    %36.74= V Desplazamiento de la compresora, D.

    minlg436880

    7436.01

    lg12min

    18833

    333

    pftpft

    D ==

  • 66

    Cilindrada: V

    ( ) 322

    lg6.1255442

    4

    pV

    LALV

    ==

    ==

    Revoluciones por minuto, rpm

    3

    3

    lg6.125min

    lg436850..

    p

    p

    VDmpr == =3476 rpm.

  • 67

    Problema.- Una planta pasteurizadora de leche desea enfriar 300 l/min de 30 C a 2 C. El calor especfico es de 0.95 y el peso especifico de 0.97, calcular: las dimensiones que debe tener la compresora de cuatro cilindros, trabajando a 750 rpm para producir el enfriamiento deseado, cuando la temperatura de succin es de 22 F y la de descarga es 98 F.

    LECHE

    97.095.0

    240

    min300

    =====

    Cp

    cTCTi

    LV

    f

    L&

    Compresora

    4 cilindros

    FTdFTsrpm

    9822

    750

    ===

    Calor a extraer de la leche Q

    ( )

    min18.41652

    1046.35

    95.0min

    641

    min641

    454.01970

    10001

    min300 2

    3

    BtuQ

    FFLb

    BtuLbQ

    Lbm

    kgLb

    mkg

    cmLVm

    TCpmQ

    L

    LLL

    LLL

    =

    =

    =

    ===

    &

    &&

    &

    Porcentaje de refrigerante evaporado, % R.E.

    %2672.67

    1367.30..% ===fgB

    fBfA

    hhh

    ER

    Efecto refrigerante E.R

  • 68

    ( ) ( )LbBtuhERRE fgB 5072.6726.01..%1. ===

    Flujo msico del refrigerante, rm&

    min832

    50

    min18.41652

    .Lb

    LbBtu

    Btu

    REQmr ===&

    Flujo volumtrico del refrigerante rV&

    min6.899

    9251.0

    min832 3

    3

    ft

    ftlb

    lbmV

    r

    rr ===

    &&

    Relacin de compresin R.C.

    42.315.37

    188.. ===abs

    abd

    PPCR

    Eficiencia Volumtrica r

    Con R.C. de la tabla %72=r Desplazamiento de la compresora, D

    min5.1249

    72.06.899 3ftVD

    r

    r === &

    Cilindrada v

    ALV =

    Si w=750rpm y VD=

    333

    3

    3

    lg28781

    lg172866.1

    12

    min750

    min5.1249

    pft

    pft

    revradrev

    ftDV ====

    Tambin

  • 69

    44

    lg27884 2

    3

    p

    AVL

    ALV

    ===

    Y suponiendo L=1.2D

    ( )lg11

    lg14.92.1

    27883

    pLp

    ===

  • 70

    3.-Carga trmica de los productos Los productos a conservar llegan a temperatura ambiente o superior a ella segn el medio de transporte. Para el caso de ver o comer a la temperatura del animal cuando est vivo, por lo que hay que bajar hasta la temperatura de conservacin, haciendolo den periodos de 12 a 20 horas, absorviendo el equipo de refrigeracin esta cantidad de calor que se calcula con:

    TmCpQ = 4.- Equipo Alumbrado De descarga y carga Para vitrinas refrigeradas para supermercado, llevan una carga de alumbrado, lo cual se calcula

    WattsQ 1415.3= 5.- Efecto solar. El clculo es el mismo que para aire acondicionado

  • 71

    Problema.- U sistema de acondicionamiento de aire necesita un serpentn de 7 hileras, con 20 ft2 de rea de paso, con aire de entrada de 85F bs y 76F de b.h y con las condiciones de salida de 51.6F bs y 51F bh. Seleccionar la compresora considerando la temperatura de succin la correspondiente a 40F y la descarga de 96F. La velocidad de la compresora debe ser de 1450rpm. Determinar las dimensiones, siendo L01.20 con c/cilindros.

    7 Hileras tubo

    DLrpmFTdFTsFTbhFTbs

    FTbhFTbs

    ftA

    i

    i

    2.11450

    9640

    516.51

    7085

    20

    0

    0

    2

    ========

    =

    4 cilindros Calor que puede extraer la unidad Q

    FTbhFTbs

    i

    i

    7085

    ==

    FTbhFTbs

    516.51

    0

    0

    ==

    El calor que puede eliminar este serpentn es:

    229450 hrftBtu

    AQ =

    Con Ap=20ft2

    hrBtuft

    hrftBtuQ 5890002029450 22 ==

    Porcentaje de refrigerante evaporado, % R.E.

    %2071.65

    1718.30..% ===fgB

    fBfA

    hhh

    ER

    Efecto refrigerante E.R

  • 72

    ( ) ( )LbBtuhERRE fgB 56.5271.652.01..%1. ===

    Flujo msico del refrigerante, rm&

    min186

    min11206

    56.52

    min589000

    .lbLb

    LbBtu

    Btu

    REQmr ====&

    Flujo volumtrico del refrigerante rV&

    min147

    263.1

    min186 3

    3

    ft

    ftlb

    lbmV

    r

    rr ===

    &&

    Relacin de compresin R.C.

    4.268.515.124.. ===

    abs

    abd

    PPCR

    Eficiencia Volumtrica r

    Con R.C. de la tabla %2.76=r Desplazamiento de la compresora, D

    min193

    762.0147 3ftVD

    r

    r === &

    Cilindrada v

    2.1

    2.14

    4

    3

    2

    2

    VV

    LV

    ===

    revp

    revft

    rev

    ftDV

    33

    3

    lg8.229133.0

    min1450

    min193

    ====

  • 73

    2.1lg8.229 33 p=