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ESCUELA POLITÉCNICA NACIONAL FACULTAD DE INGENIERÍA MECÁNICA REDES DE AGUA FRÍA EN EL AIRE ACONDICIONADO SANTIAGO PULLAGUARI

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ESCUELA POLITCNICA NACIONAL FACULTAD DE INGENIERA MECNICA

REDES DE AGUA FRA EN EL AIRE ACONDICIONADO

SANTIAGO PULLAGUARI

DICIEMBRE 2013

AIRE ACONDICIONADOElacondicionamiento de airees el proceso que consiste en regular las condiciones en cuanto a la temperatura (calefaccinorefrigeracin),humedad, limpieza (renovacin, filtrado) y el movimiento del aire dentro de los locales, edificios o lugares donde se necesita encontrar el confort de una persona o grupo de personas.Entre los sistemas de acondicionamiento se cuentan los autnomos y los centralizados. Los primeros producen el calor o el fro y tratan el aire (aunque a menudo no del todo). Los segundos tienen un/unos acondicionador/es que solamente tratan el aire y obtienen la energa trmica (calor o fro) de un sistema centralizado.

Figura 1. Sistema de aire acondicionado

CLASIFICACIN DE LOS SISTEMAS Los sistemas de aire acondicionado se pueden clasificar de la siguiente manera: Sistemas de expansin directa Sistemas de expansin indirecta

Sistemas de expansin directa:

Sistemas de expansin indirecta:

El sistema que es motivo de este proyecto es el de expansin directa o denominado sistemas de redes de agua fra.

SISTEMA DE EXPANSIN INDIRECTA - SISTEMAS MIXTOS

Los sistemas mixtos consisten en una planta trmica central que prepara el agua fra o caliente y en unidades individuales ubicadas en los ambientes a acondicionar, a los cuales llega el agua y donde el aire es tratado y distribuido, consiguindose as la supresin de los conductos de distribucin del aire desde el equipo acondicionador central hasta los locales a acondicionar. Este sistema se utiliza en edificios, de desarrollo preponderantemente vertical, generalmente de gran altura, ya que de utilizarse un sistema central los conductos de mando y retorno resultaran de dimensiones excesivas, para la superficie cubierta (los conductos verticales manejan grandes caudales de aire a baja velocidad).

Este sistema puede ser:

Sistema todo agua - Ventilador - Serpentina (Fan - Coil). Induccin - Sistema agua aire.

Los sistemas todo agua constan de equipos enfriadores o calentadores de agua centralizados en el edificio, desde donde se la distribuye fra o caliente, segn la estacin del ao, mediante caeras y bombas, a equipos terminales en los locales, denominados fan-coil. La unidad se compone bsicamente de una seccin ventiladora (fan) y una serpentina con aletas (coil), de all el nombre con que se la designa.

El ventilador origina la circulacin del aire del local, hacindolo atravesar la serpentina que es alimentada con agua fra o caliente. La distribucin del aire en el local se efecta directamente sin utilizacin de conductos, precisamente, por estas caractersticas se denomina a estos sistemas todo agua. El aire del local es mezclado con cierta parte de aire exterior en el pleno inferior del equipo, para satisfacer las necesidades de ventilacin del recinto. Este aire mezclado, previo paso por la serpentina es filtrado, para mantener en el local un nfimo tenor de polvo y, a la vez, para evitar suciedades en el ventilador y en la serpentina.

Cada unidad se provee con su gabinete, que contiene todos los elementos indicados, distribuyendo el aire mediante una reja horizontal o frontal. Los aparatos se ubican, sobre una pared exterior, bajo una ventana. El fan-coil, puede ser de tiro vertical, u horizontal, permitiendo este ltimo colocarlo en los entretechos o cielorrasos armados. Las dimensiones de los gabinetes de los fan-coil de tiro vertical son aproximadamente de 30 cm. de profundidad, 60 cm de altura, variando su largo de 70 a 140 cm. De acuerdo a su capacidad frigorfica.

Figura 2. Sistema fan-coilRequieren una manutencin onerosa debido a la multiplicidad de partes mviles (motores); el volumen de aire exterior es aspirado generalmente en forma directa del exterior, lo que exige un cuidadoso proyecto de la toma de aire y de la persiana de regulacin, para evitar la entrada de aire a presin (viento), de agua (lluvia) o efectos de tiraje inverso generado por las corrientes ascendentes paralelas al paramento exterior del edificio (efecto chimenea) que puede prevalecer sobre la presin positiva generada por los ventiladores centrfugos del aparato.

En cambio su ubicacin es muy flexible ya que estn conectados nicamente sobre las redes de circulacin de agua y de electricidad, que fcilmente permiten desplazamientos. Dentro de ciertos lmites el usuario puede controlar el grado de confort, actuando sobre la velocidad de los ventiladores y el caudal de agua, debemos tener en cuenta que su alcance no excede de 5 a 6 m, para mayores profundidades de tratamiento se los puede combinar con un sistema central, es decir el corazn del edificio (zona de circulacin generalmente), debido a que no est expuesto a la radiacin solar ni a las prdidas por transmisin del exterior, exige mnimo caudal.

Figura 3. Sistema fan-coil de caera simple (dos caeras)

SISTEMAS DE AGUA FRAIntroduccinEl uso del agua fra para mantener condiciones controladas de temperatura y humedad se remonta a principios del siglo XX con clientes industriales que vieron las ventajas econmicas que esta nueva tecnologa prometa. En ese entonces slo se poda contar con equipos que enfriaban y deshumedecan el aire por contacto directo con el agua fra lo que requera que la temperatura del agua fra se mantuviera por debajo de la temperatura del punto de roco que se pretenda lograr en el aire de suministro durante todo el proceso pues el intercambio trmico aire-agua era en paralelo. Esto limitaba el diferencial de temperatura en el agua a valores relativamente bajos de donde comienza a popularizarse el uso del diferencial de 10F (5C) que muchos an hoy continan usndolo.La introduccin de los serpentines de enfriamiento aleteados mejora esta situacin pues permite el intercambio de calor aire-agua en contra flujo que es ms eficiente y por ello es capaz de producir diferenciales ms altos en el agua fra lo que reduce costos y eleva la eficiencia de la instalacin.

Figura 4. Sistema de agua fraComponentesLos componentes de un sistema de agua fra aparecen en la figura 1. Los serpentines de enfriamiento instalados en las manejadoras de aire, fancoils, etc., disipan la carga trmica de los espacios acondicionados, el enfriador de agua descarga este calor a la atmsfera y as enfra el agua. La bomba y la tubera de distribucin permiten la circulacin del agua fra entre estos dos componentes y el tanque de expansin permite la expansin trmica segura del agua para evitar dao a los componentes del sistema por la dilatacin del agua con los cambios de temperatura.La capacidad de enfriamiento de cualquier elemento de un sistema de agua fra puede calcularse con las formulas:

Serpentines de enfriamientoLa especificacin y seleccin correcta de los serpentines de enfriamiento es clave para lograr las condiciones deseadas en los ambientes acondicionados y mejorar la operacin del sistema.Para especificar correctamente los requerimientos de los serpentines de enfriamiento es necesario que el clculo de carga de los espacios acondicionados se haga separando lo que es su carga sensible y su carga latente. As, con la ayuda de la carta psicromtrica, determinar el caudal correcto de aire y los valores correspondientes de temperatura de bulbo seco y bulbo hmedo a la entrada y salida del serpentn, respetando las reglas del comportamiento de los serpentines de enfriamiento descritos por ASHRAE en su texto HVAC Systems and Equipment que se menciona parcialmente en el siguiente prrafo.En todo serpentn que enfra y deshumedece, la extensin de la lnea recta que une la condicin de entrada y salida del aire en la carta psicromtrica debe intersectar la lnea de saturacin. Esta interseccin recibe el nombre de temperatura promedio de la superficie del serpentn, tambin conocida por algunos como temperatura del punto de roco del serpentn (abreviado en ingls como ADP que se usar de aqu en adelante para ahorrar espacio). Si las cargas o las condiciones a mantenerse en el espacio son tales que no es posible lograr una interseccin, ello es seal que el serpentn de enfriamiento por s solo no lograr la condicin deseada en el ambiente y se necesitar de un elemento adicional despus del serpentn o se necesitar aceptar una condicin diferente en el ambiente o se tendr que recurrir a un sistema diferente de acondicionamiento.

Figura 5. Relacin temperatura vs humedadLa temperatura del ADP deber ser mayor a la temperatura de entrada del agua la diferencia depender del rea de intercambio del serpentn escogido. Serpentines de gran rea (hileras y/o aletas) posiblemente podrn alcanzar diferenciales de 4F o menos. Se recomienda el uso de serpentines de 6 o ms hileras con no ms de 12 aletas por pulgada para producir la capacidad requerida con menores caudales de agua, y posiblemente menores caudales de aire, para as reducir el costo inicial y operativo de la instalacin. La limitacin en el nmero de aletas se menciona nicamente para facilitar la limpieza del serpentn.

La velocidad de cara recomendada en instalaciones comerciales est entre 400 y 500 pies por minuto. Velocidades mayores pueden ser aceptables si no producen arrastre del condensado y si se acepta la mayor prdida de presin del aire y el riesgo de mayor ruido. Velocidades menores tienen menores prdidas de presin pero elevan el costo de la instalacin. La seleccin de la velocidad ptima es sobre todo una decisin econmica; un mayor nmero de horas de operacin de la manejadora o un mayor costo de la energa elctrica favorecer el uso de valores menores.En instalaciones de 100% aire exterior en zonas hmedas sera preferible no exceder 400 PPM por la gran cantidad de condensado que producir el enfriamiento y deshumedecimiento del aire.

El comportamiento del serpentn de agua fra se puede apreciar en la figura anterior. La capacidad de enfriamiento sensible del serpentn se ve levemente afectada al comenzar a reducirse el caudal de agua por el serpentn pero la capacidad latente se ver afectada ms o menos en proporcin a la reduccin del caudal y prcticamente desaparecer al llegar aprximadamente al 30% del caudal de diseo. Esto se explica, porque la humedad relativa en los espacios acondicionados tiende a aumentar cuando el equipo opera a carga parcial ya que la seal que recibe el termostato que normalmente comanda la posicin de la vlvula de control es afectada slo por la carga sensible.La seleccin de los serpentines de enfriamiento requiere como mnimo la siguiente informacin: Caudal de aire a enfriarse. Temperaturas del bulbo seco y hmedo del aire de entrada y salida. Temperatura de entrada del agua fra. Altura sobre el nivel del mar.En muchos mercados se requiere que los serpentines de enfriamiento sean certificados por algn organismo tcnico independiente para asegurar al cliente que el producto es capaz de producir las condiciones que su fabricante afirma. En los Estados Unidos esta certificacin se hace bajo la norma 410 de AHRI (Air-conditioning, Heating and Refrigeration Institute, previamente ARI).Vlvulas de controlLa capacidad de los serpentines de enfriamiento se controla comnmente con vlvulas de 3 o de 2 vas, dependiendo de si se desea un sistema de caudal de agua constante o variable. El primero es de diseo y operacin simples pero tiene un mayor costo operativo y su uso es ms comn en instalaciones de menor capacidad mientras que el segundo que resulta en un menor costo operativo se usa con mayor frecuencia en las instalaciones ms grandes.

Las vlvulas de control se seleccionan por el valor de su coeficiente de operacin (Cv) que se define por la frmula:

Posiblemente sea ms fcil recordar que el CV es simplemente el caudal de agua que pasa por la vlvula produciendo una prdida de 1 psi. Se recomienda que las vlvulas de control se seleccionen con una prdida por lo menos igual al 50% de la prdida total del ramal donde van instaladas la vlvula y el serpentn.Las vlvulas de control pueden tener varias caractersticas pero las ms comunes en la industria del aire acondicionado son la lineal y la de igual porcentaje. Para mejor control de la capacidad del serpentn, se recomienda el uso de vlvulas con la caracterstica de igual porcentaje que se adapta mejor a las caractersticas del serpentn de la figura 3 para lograr un rendimiento lineal de la capacidad del serpentn relativo al desplazamiento de la vlvula. ltimamente se han incorporado a las vlvulas elementos que compensan los cambios de presin (pressure independent) que experimenta todo sistema en operacin para as mantener el diferencial de presin sobre la vlvula constante y lograr mejor control de la capacidad del serpentn.Las vlvulas de 3 vas tienden a operar con diferenciales de temperatura (T) menores a los previstos en el diseo y esta situacin se agravar si las vlvulas se escogen con poca prdida. El mayor deterioro ocurre cuando el desplazamiento de estas vlvulas alcanzan aproximadamente el 50%. Las vlvulas de 2 vas tienden a producir mayores diferenciales de temperatura (T) que las de 3 vas pero tambin sufrirn un deterioro si se las escoge con insuficiente prdida de presin. Adems las vlvulas de control deben ser capaces de controlar satisfactoriamente los caudales de agua por el serpentn, y hasta cortar totalmente el flujo (2 vas), con cualquier presin que la bomba sea capaz de levantar en operacin.

El caudal de agua en sistemas con vlvulas de 3 vas ser la suma de los caudales de todos los serpentines de enfriamiento pues este sistema no aprovecha el factor de diversidad en el caudal aunque s en la capacidad del chiller. En sistemas con vlvulas de 2 vas el factor de diversidad puede aplicarse tanto al caudal de agua como a la capacidad de los chillers.Las vlvulas de 3 vas pueden ser del tipo divergente o convergente (mezcladora). Para el control de los serpentines de agua fra es ms conveniente el uso de las vlvulas convergentes como se muestra en la figura 4 que adems de tener un menor costo se instalan en la lnea de retorno que es ms aconsejable para la operacin del sistema.BombasLa bomba hace posible la distribucin del agua entre el chiller y los serpentines de enfriamiento en las manejadoras, fancoils, etc. La bomba centrfuga es la de uso ms comn en los sistemas de agua fra por su simplicidad de diseo y operacin, adems de su bajo costo y alta eficiencia.Las caractersticas operativas de las bombas se muestran en forma de curvas con las coordenadas de caudal vs altura dinmica . El punto de mxima eficiencia (BEP Best Efficiency Point) estar identificado de donde se podr trazar la lnea de mxima eficiencia recordando la relacin cuadrtica del caudal con la altura dinmica. La lnea de mxima eficiencia permite identificar los puntos de mxima eficiencia para los diferentes dimetros de rodete disponibles para la bomba o para las diferentes velocidades, si se trata de bombas de velocidad variable. Las bombas pueden ser de curva plana o empinada. Aunque no hay una regla fija, se dice que bombas de curva plana son aquellas cuya altura dinmica a descarga trancada (0 caudal) no excede 20% del valor en el punto de mxima eficiencia. Si excede 20% se considera de curva empinada. Se recomienda el uso de bombas de curva plana en sistemas cerrados para evitar variaciones significativas de presin por la accin de las vlvulas de control y de curva empinada para sistemas abiertos para evitar mayores reducciones de caudal al oxidarse la tubera por la presencia del aire disuelto en el agua.Se recomienda que la bomba opere a las condiciones de mayor eficiencia posible pues esto no slo reduce su costo operativo sino que tambin representa un menor esfuerzo sobre sus cojinetes. Para ello, se recomienda que la seleccin de la bomba en sistemas de caudal constante que utilizan vlvulas de 3 vas se haga a la izquierda del punto de mxima eficiencia pues en operacin, estos sistemas tienden a operar con caudales mayores a los de diseo y as el punto de operacin se desplazar hacia puntos de mayor eficiencia. En sistemas de caudal variable (vlvulas de 2 vas) la seleccin puede hacerse levemente a la derecha del punto de mxima eficiencia pues en operacin estos sistemas normalmente operarn con caudales menores a los de diseo lo que har que el punto de operacin se desplace hacia el punto de mayor eficiencia. Se deber cuidar que en operacin la bomba pueda salirse de su curva o sobrecargar su motor.

Enfriadores de aguaLos enfriadores de agua, posiblemente ms conocidos por el vocablo ingls chillers, deben mantener el agua que se suministra a los serpentines de enfriamiento a la temperatura para la que fueron especificados y seleccionados. El chiller nada tiene que hacer con el diferencial de temperatura del agua fra pues la temperatura a la que el agua fra retorna al chiller es producto de la carga trmica que recoge el serpentn de enfriamiento y el caudal de agua que le alimenta la vlvula de control. El chiller slo controla la temperatura del agua fra que suministra al sistema.Hay una gran variedad de opciones en chillers pueden ser enfriados por aire o por agua o pueden ser de accionamiento mecnico o trmico lo que permite satisfacer los requerimientos de prcticamente cualquier ndole.El enfriamiento del agua en los chillers mecnicos puede ser mediante intercambiadores de expansin directa que se utilizan en chillers con compresores de desplazamiento positivo (scroll, alternativos, tornillo) o inundados que se utilizan en chillers con compresores centrfugos o tornillo. En los chillers trmicos se usan los intercambiadores inundados. En los intercambiadores de expansin directa el refrigerante fro circula dentro de los tubos y el agua circula entre los tubos y el casco. En los intercambiadores inundados el agua circula dentro de los tubos que estan sumergidos en el refrigerante lquido fro que llena el espacio entre los tubos y el casco. Los intercambiadores inundados permiten la limpieza mecnica de los tubos.La norma 90.1 de ASHRAE, entre otras cosas, fija las eficiencias mnimas que deben lograr los diferentes equipos de aire acondicionado, entre ellos los chillers. Adems, ARI certifica el rendimiento de los chillers accionados mecnicamente bajo su norma 550/590 para asegurar al comprador que los equipos certificados producen la capacidad prometida por sus fabricantes.Tubera de distribucinLa distribucin del agua puede hacerse con retorno directo o con retorno invertido. El suministro invertido es simplemente una variacin del retorno invertido. Con el retorno invertido se busca que el recorrido del agua por todos los ramales sea ms o menos igual para facilitar el ajuste de los caudales por cada ramal.El menor costo del retorno directo lo hace ms atractivo y es seguramente el de mayor uso. Este arreglo funcionar mejor si la prdida de presin de los ramales es un porcentaje importante de la prdida total requerida de la bomba o lo que es lo mismo decir que debe buscarse una prdida pequea en el troncal. Tambin ayudar si se asignan prdidas mayores a los ramales ms cercanos a la bomba para lograr prdidas ms o menos parecidas para la bomba para cada uno de los ramales.La tubera de distribucin se dimensiona de acuerdo al material que se vaya a usar utilizando cuadros que muestran las prdidas de acuerdo a los caudales y dimetros de tubera. Con la introduccin de programas que permiten el uso de la computadora se ha aliviado este tedioso trabajo pues con estos programas no slo se logra el dimensionamiento de la tubera sino tambin la prdida de presin del sistema para la seleccin de la bomba adems del volumen de agua en las tuberas para la seleccin del tanque de expansin.

Tanque de expansinEl tanque de expansin permite el aumento volumtrico del agua en el sistema debido a los cambios de temperatura que puedan ocurrir en el agua. En operacin, el agua es enfriada por el chiller a la temperatura de diseo requerida pero con el sistema fuera de servicio por cualquier motivo, la temperatura del agua puede llegar a la temperatura ambiente. El cambio en el volumen especfico del agua a estas dos condiciones producira un aumento de presin enorme que puede causar dao a cualquier componente del sistema si no hay forma de aliviar tal condicin. El tanque de expansin correctamente dimensionado da al agua el espacio donde pueda expandirse sin causar dao o desperdicio.Existen bsicamente tres tipos de tanque de expansin: Abierto (abierto a la atmsfera). Cerrado (agua y aire presurizado dentro de un tanque cerrado). Diafragma (agua y aire separados por una membrana flexible dentro de tanque cerrado).El tanque de expansin es tambin el punto donde se establece la presin de referencia que se mantendr constante. En un sistema cerrado slo debe haber una presin de referencia.Torres de enfriamientoEn los sistemas de mayor capacidad y hasta en los de mediana capacidad, donde el consumo energtico es de gran importancia, el uso de las torres de enfriamiento para desechar el calor a la atmsfera adquiere mayor relevancia pues reduce notablemente el consumo de energa.El consumo de energa de los chillers mecnicos ha venido mejorando en los ltimos aos y esta mejora ha sido aun mayor para los equipos enfriados por agua. Hoy es posible encontrar chillers enfriados por agua, de mediana y alta capacidad, con consumos de 0.60 Kw/ton o menos, en gran medida gracias al uso del compresor tipo tornillo en los equipos de mediana capacidad y el centrfugo en los de mayor capacidad. Una ojeada a la norma 90.1 de ASHRAE confirmar la mejora que han experimentado los chillers enfriados por agua en relacin con los chillers enfriados por aire. Por supuesto que la decisin de usar uno u otro depender tambin de otros factores como ser la disponibilidad de agua, su costo, su tratamiento, el costo inicial de la instalacin, mantenimiento, etc.Para la seleccin de la torre se necesita la siguiente informacin: Caudal de agua que se desea enfriar. Temperatura de entrada y salida del agua. Temperatura del bulbo hmedo del ambiente. Altura sobre el nivel del mar.Al igual que los chillers y los serpentines de enfriamiento, las torres de enfriamiento tambin cuentan con un programa de certificacin para asegurarle al comprador que el producto certificado que compra es capaz de producir la capacidad ofrecida por el fabricante. Esta certificacin lo hace la organizacin Cooling Technology Institute (CTI) bajo su norma 201.

SISTEMA DE AIRE ACONDICIONADO CON INTERCAMBIADOR DE CALOR

El HRV o Lossnay es un intercambiador de calor de flujo cruzado construido con lminas y aletas de papel tratado. De manera tal que el pasaje que lleva el aire viciado desde la parte interior hasta la exterior y el aire fresco del exterior estn totalmente separados. El papel tratado es permeable al paso del vapor de agua, e impermeable al paso de ciertos gases como CO2 y el NO2. Se produce un intercambio de calor entre el aire exterior a inyectar y el aire interior a expulsar del local, permitiendo reducir notablemente el calor que se pierde en la salida del aire viciado.

Consideraciones sobre unidades interiores:Montado en techo de cassette o en ducto: Segn el fabricante requieren una altura de entretecho entre 20 cm y 35 cm de espacio libre para ubicarlos. Si el filtro es de alta eficiencia se debe adicionar 5 cm ms. Tienen bajo ruido de operacin entre 25 DB a un mximo de 43 DB. Flujo de aire para uso de techos altos entre 2,7 m a 3,7 m.

Figura 6. Sistema HRVConsideraciones sobre unidades interiores:Montado en techo de cassette o en ducto: Segn el fabricante requieren una altura de entretecho entre 20 cm y 35 cm de espacio libre para ubicarlos. Si el filtro es de alta eficiencia se debe adicionar 5 cm ms. Tienen bajo ruido de operacin entre 25 DB a un mximo de 43 DB. Flujo de aire para uso de techos altos entre 2,7 m a 3,7 m. Mecanismo de movimiento automtico de las aletas que asegura una distribucin uniforme del aire y temperatura ambiente La bomba de drenaje tiene una capacidad de bombeo entre 600 mm a 750 mm segn modelo. Para los equipos empotrados en techo con ducto, la presin esttica es del orden de los 100 Pa (10 mm H2O) a ms de 150 Pa (15 mm H2O), lo cual proporciona flexibilidad en el diseo del conducto de aire y sus ramificaciones.Suspendido en cielorraso o empotrado en muro: Segn el fabricante el espesor de la unidad oscila entre 20 cm y 30 cm. Tienen bajo ruido de operacin entre 30 DB a un mximo de 45 DB. Flujo de aire para uso de techos altos hasta 3,5 m. Mecanismo de movimiento automtico de las aletas que asegura una distribucin uniforme del aire y temperatura ambiente. ngulo de descarga entre 10 y 70. La bomba de drenaje tiene una capacidad de bombeo entre 600 mm a 750 mm segn modelo.

Bibliografa DIAZ, V. BARRENECHE O; Acondicionamiento trmico de edificios, Argentina 2005, Editorial Nobuko, pgs. 265-296 http://www.forofrio.com/index.php?option=com_content&view=article&id=129&catid=9&Itemid=54http://www.mitsubishiclimas.com.mx/pdf/lossnay.pdfhttp://www.elaireacondicionado.com/glosario/lossnay.22.html