1 ESCUELA POLITCNICA DEL EJRCITO DEPARTAMENTO DE CIENCIAS DE LA ENERGA Y MECNICA CARRERA DE INGENIERA MECNICA DISEO Y CONSTRUCCIN DE UN MDULO DE ENFRIAMIENTO EVAPORATIVO POR CELDAS HMEDAS PARA EL TNEL MULTIPROPSITO DEL LABORATORIO DE TERMODINMICA DE LA ESPE PROYECTO PREVIO A LA OBTENCIN DEL TTULO DEINGENIERO MECNICO Desarrollado por: PATRICIO JAVIER GARCIA MONGE RICARDO MALDONADO VASCONEZ DIRECTOR: Ing. Roberto Gutirrez. CODIRECTOR: Ing. Julio Cndor Sangolqu, 2008-02-21 2 CERTIFICACIN DE LA ELABORACIN DEL PROYECTO ElproyectoDISEOYCONSTRUCCINDEUNMDULODE ENFRIAMIENTOEVAPORATIVOPORCELDASHMEDASPARAEL TNEL MULTIPROPSITO DEL LABORATORIO DE TERMODINMICA DE LAESPEfuerealizadoensutotalidadporPATRICIOJAVIERGARCA MONGEyRICARDOMALDONADOVASCONEZ,comorequerimiento parcial para la obtencin del ttulo de Ingeniero Mecnico. Ing. Roberto Gutirrez.Ing. Julio Cndor DIRECTORCODIRECTOR Sangolqu, 2008-02-21 3 LEGALIZACIN DEL PROYECTO DISEOYCONSTRUCCINDEUNMDULODEENFRIAMIENTO EVAPORATIVOPORCELDASHMEDASPARAELTNEL MULTIPROPSITODELLABORATORIODETERMODINMICADELA ESPE ELABORADO POR: PATRICIO J. GARCA M. RICARDO MALDONADO V. DEPARTAMENTO DE INGENIERA Y MECNICA Ing. Juan Daz COORDINADOR DE CARRERA Sangolqu, 2008-02-21 4 DEDICATORIA Dedico el presente proyecto de grado a mis padres que fueron las personas que siempreme apoyaron en el transcurso de la carrera; les agradezco el haberme enseado a tener principios morales y ticos, los cuales me van ayudar a seguir siendo una buena persona ya en el campo profesional. Les dedico a mis amigos que siempre me brindaron su apoyo y su ayuda. A mi enamorada que estuvo a mi lado en los buenos y malos momentos dndome su cario y apoyo. Patricio Garca Monge El presente proyecto de grado lo dedico a mis padres, a mis abuelos y a mis tos quefueronpartefundamentalduranteeltranscursodemicarrera,que estuvieronsiemprepresentesyatentosatodasmisnecesidades.Dedico tambin a mi esposa Ana Mara y a mi hija Valentina, motivadoras esenciales en la culminacin de mis estudios. Ricardo Maldonado Vasconez 5 AGRADECIMIENTOS Concluimosunaetapamuyimportanteeneldesarrollodenuestrasvidas,una etapaquenohubiesesidoposibleculminarlasinlaspersonasquenosdieron siempresuapoyoincondicionalaquienestenemoslaoportunidaddeofrecer nuestros muy sinceros y profundos agradecimientos: A nuestros padres y a nuestras familias que fueron siempre nuestros principales colaboradores y que nos dieron el impulso para iniciar y para terminar la carrera. Alosprofesionalesquenossupieronguiarbrindndonossuconocimientoy experienciadesinteresada,aloscualesagradecemosespecialmente:Ing. RobertoGutirrez,Ing.JulioCndor,Ing.AndrsProao,atodosnuestros profesores y a tan grande y digna institucin como es la ESPE. Anuestroscompaerosyamigos,yalaspersonasquenosapoyaronpara terminar el proyecto de grado. Especial agradecimiento a mi compaero de carrera y amigo Pacho, Ric. Patricio Garca Monge Ricardo Maldonado Vasconez 6 7 NDICE DE CONTENIDOS RESUMEN..xiv NOMENCLATURA.xi 1 GENERALIDADES 1.1 Introduccin ....................................................................................................... 1 1.2 Antecedentes ..................................................................................................... 2 1.3 Definicin del problema ..................................................................................... 3 1.4 Objetivos ............................................................................................................ 3 1.4.1 Objetivo general.............................................................................................. 3 1.4.2 Objetivos especficos ...................................................................................... 4 1.5 Justificacin e importancia ................................................................................. 4 1.6 Alcance .............................................................................................................. 5 2 MARCO TERICO 2.1 Mezclas gaseosas ............................................................................................. 7 2.1.1 Variables de los gases .................................................................................... 7 2.1.2 Gases ideales ................................................................................................. 8 2.1.3 Comportamiento de los gases ........................................................................ 9 2.1.4 Ley de las presiones parciales ..................................................................... 10 2.1.5 Fraccin molar .............................................................................................. 11 2.1.6 Energa interna de los gases ........................................................................ 12 2.1.7 Entalpa de los gases ................................................................................... 12 2.1.8 Entropa de los gases ................................................................................... 13 2.1.9 Mezcla de un gas ideal y un vapor ............................................................... 13 2.2 El aire .............................................................................................................. 15 2.2.1 Propiedades del aire ..................................................................................... 15 2.2.2 Composicin ................................................................................................. 15 2.2.3 Atmsfera ..................................................................................................... 16 2.2.3.1 La presin atmosfrica .............................................................................. 16 2.3 Psicrometra .................................................................................................... 17 2.3.1 Definiciones .................................................................................................. 17 2.3.1.2 Temperatura de Bulbo Seco ...................................................................... 17 2.3.1.3 Temperatura de Roco.............................................................................. 17 2.3.1.4 Temperatura de Bulbo Hmedo............................................................... 18 2.3.1.5 Proceso de Saturacin Adiabtica ............................................................. 18 2.3.1.6 Humedad Relativa.................................................................................... 18 2.3.1.7 Relacin de Humedad ............................................................................... 19 2.3.1.8 Factor de Calor Sensible.......................................................................... 20 8 2.3.1.9 Factor de calor sensible local .................................................................... 20 2.3.1.10 Factor de calor sensible total.................................................................. 20 2.3.2 Carta psicrometrica ....................................................................................... 21 2.4 Procesos y sistemas comunes de aire acondicionado .................................... 22 2.4.1Definiciones ................................................................................................... 22 2.4.2 Sistemas ms comunes ................................................................................ 23 2.4.2.1 Sistemas de solo aire ................................................................................ 23 2.4.2.2 Sistemas de solo agua .............................................................................. 25 2.4.2.3 Sistemas combinados de agua y aire ........................................................ 25 2.4.3 Proceso ........................................................................................................ 26 2.4.4 Factor de Bypass (BF) .................................................................................. 29 2.4.5 Factor de contacto (CF) ................................................................................ 29 2.5 Energa verde .................................................................................................. 29 2.5.1 Definicin ...................................................................................................... 29 2.5.2 Caractersticas .............................................................................................. 30 2.5.2.1 Relacin entre energa verde y enfriamiento evaporativo .......................... 30 2.5.2.2 Soluciones medioambientales ptimas ...................................................... 31 2.6 Enfriamiento evaporativo ................................................................................. 31 2.6.1 Definicin ...................................................................................................... 31 2.6.1.1 Enfriamiento evaporativo directo ............................................................... 32 2.6.1.2 Enfriamiento evaporativo natural ............................................................... 32 2.6.2 Caractersticas .............................................................................................. 32 2.6.2.1 Transferencia de calor y masa ................................................................... 32 2.6.2.2 Limites de enfriamiento evaporativo .......................................................... 33 2.6.2.3 Enfriamiento evaporativo ideal ................................................................... 33 2.6.2.4 Ventajas del enfriamiento evaporativo ....................................................... 35 2.6.3 Clasificacin.................................................................................................. 36 2.6.3.1 Enfriamiento evaporativo por aspersores de tipo atomizador .................... 36 2.6.3.2 Enfriamiento evaporativo por celdas hmedas .......................................... 37 2.7 Celdas hmedas .............................................................................................. 38 2.7.1 Caractersticas de celda seleccionada ......................................................... 39 2.8 aplicaciones de sistemas de enfriamiento evaporativo por celdas hmedas ... 42 3 DISEO 3.1 Diagnstico del tnel de aire multipropsito .................................................... 45 3.1.1 Componentes ............................................................................................... 45 3.1.2 Analisis de funcionamiento47 3.1.3 Estado actual ................................................................................................ 49 3.2 Diseo trmico ................................................................................................. 49 3.2.1 Estndares.................................................................................................... 49 3.2.1.1 Normas ashrae para enfriamiento por evaporacin. .................................. 50 3.2.2 Variables trmicas ........................................................................................ 51 3.2.3 Cargas trmicas ............................................................................................ 53 3.2.3.1 Carga trmica de iluminacin .................................................................... 53 3.2.3.2 Clculo de calor sensible por iluminacin .................................................. 54 3.2.3.3 Transferencia de calor ............................................................................... 54 9 3.2.4 Eficiencia ...................................................................................................... 68 3.2.5 Parmetros fsicos ........................................................................................ 69 3.2.5.1 Cada de presin ....................................................................................... 69 3.3 Diseo mecnico ............................................................................................. 70 3.3.1 Ingreso de agua ............................................................................................ 70 3.3.1.1 Seleccin de la bomba .............................................................................. 71 3.3.1.2 Recipiente de la bomba ............................................................................. 74 3.3.2 Drenaje ......................................................................................................... 75 3.3.3 Mdulo de enfriamiento evaporativo ............................................................. 78 3.3.4 Confiabilidad, durabilidad, simplicidad y mantenibilidaddel equipo ............. 81 3.3.4.1 Mantenimiento del tnel de aire multipropsito. ......................................... 81 3.3.4.2 Mantenimiento panel celdeck 7060-15 ...................................................... 82 3.3.5 Performance del mdulo de enfriamiento evaporativo .................................. 82 3.4 Seleccin de materiales ................................................................................... 83 3.4.1 Celdas .......................................................................................................... 83 3.4.2 Accesorios .................................................................................................... 84 3.4.3 Instrumentos ................................................................................................. 84 4 CONSTRUCCIN 4.1 Procesos de construccin ................................................................................ 85 4.1.1 Diagrama de flujo .......................................................................................... 86 4.2 Montaje ............................................................................................................ 87 4.3 Instalacin ....................................................................................................... 88 4.3.1 Instalacin del cableado elctrico de las cargas trmicas ............................ 89 4.3.2 Instalacin de la bomba de agua .................................................................. 89 5 PRUEBAS Y GUAS DE PRCTICA 5.1 Pruebas de funcionamiento ............................................................................. 93 5.1.2 Toma de datos .............................................................................................. 95 5.2 Calibracin de instrumentos y equipos ............................................................ 99 5.3 Realizacin de una prctica de laboratorio piloto ............................................ 99 5.4 Resultados ..................................................................................................... 100 5.5 Anlisis de resultados .................................................................................... 100 5.5.1 Resultados de clculos ............................................................................... 101 5.5.2 Ejemplos de clculos .................................................................................. 105 5.6 Validacin de resultados ................................................................................ 107 5.6.1 Porcentaje de discrepancia ........................................................................ 107 5.7 Elaboracin de gua de laboratorio ................................................................ 108 5.8 Elaboracin de manual de operacin y mantenimiento del mdulo de enfriamiento evaporativo .................................................................................. 109 5.8.1 Lista de partes y elementos ........................................................................ 109 5.8.2 Instalacin................................................................................................... 112 5.8.3 Funcionamiento .......................................................................................... 113 5.8.4 Mantenimiento ............................................................................................ 113 10 6 ANLISIS ECONMICO Y FINANCIERO 6.1 Anlisis econmico ........................................................................................ 115 6.1.1 Costos directos ........................................................................................... 115 6.1.1.1 Equipos y materiales ............................................................................... 116 6.1.1.2 Mano de obra directa ............................................................................... 117 6.1.2 Costos indirectos ........................................................................................ 117 6.1.3 Costo total................................................................................................... 119 6.2 Anlisis financiero .......................................................................................... 119 6.2.1 Financiamiento ........................................................................................... 121 7 CONCLUSIONES Y RECOMENDACIONES 7.1 Conclusiones ................................................................................................. 123 7.2 Recomendaciones ......................................................................................... 124 BIBLIOGRAFA..127 ANEXOS.I 11 12 NDICE DE TABLAS Tabla 2.1 Dimensiones de la Celda ....................................................................... 40 Tabla 3.1 Componentes del Tnel de Aire Multipropsito ..................................... 45 Tabla 3.2 Unidades del tnel de aire multipropsito .............................................. 47 Tabla 3.3 Variables Trmicas del Aire ................................................................... 52 Tabla 3.4 Variables Trmicas del Agua ................................................................. 52 Tabla 3.5 Valores de clculo conveccin............................................................... 62 Tabla 3.6 Resultados ............................................................................................. 63 Tabla 3.7 Valores de clculo evaporacin ............................................................. 63 Tabla 3.8 Valores de clculo Transferencia de masa y calor, aire ........................ 65 Tabla 3.9 Valores de Clculo Transferencia de masa y calor, agua ...................... 65 Tabla 3.10 Resultados transferencia de calor ....................................................... 67 Tabla 3.11 Resultados transferencia de masa ...................................................... 68 Tabla 3.12 Especificaciones tcnicas de la bomba ............................................... 73 Tabla 4.1Cdigos para referirse a los planos de construccin .............................. 85 Tabla 5.1 Toma 1 de datos sin carga trmica ........................................................ 95 Tabla 5.2 Toma 2 de datos sin carga trmica ........................................................ 95 Tabla 5.3 Toma 3 de datos sin carga trmica ........................................................ 96 Tabla 5.4 Toma 1 de datos con 50Watts ............................................................... 96 Tabla 5.5 Toma 2 de datos con 50Watts ............................................................... 96 Tabla 5.6 Toma 3 de datos con 50Watts ............................................................... 97 Tabla 5.7 Toma 1 de datos con 75Watts ............................................................... 97 Tabla 5.8 Toma 2 de datos con 75Watts ............................................................... 97 Tabla 5.9 Toma 3 de datos con 75Watts ............................................................... 97 Tabla 5.10 Toma 1 de datos con 125Watts ........................................................... 98 Tabla 5.11 Toma 2 de datos con 125Watts ........................................................... 98 Tabla 5.12 Toma 3 de datos con 125Watts ........................................................... 98 Tabla 5.13 Toma de temperatura a la salida con el ventilador apagado ............... 99 Tabla 5.14 Resultados prctica de laboratorio piloto ........................................... 100 Tabla 5.15 Variables Trmicas ............................................................................ 101 Tabla 5.16 Resultados transferencia de calor (P1-P2) ........................................ 101 Tabla 5.17 Resultados transferencia de calor sensible (P2-P3) .......................... 102 Tabla 5.18 Resultados transferencia de calor latente (P2-P3) ............................ 103 Tabla 5.19 Resultados transferencia de calor latente (P2-P3) ............................ 103 Tabla 5.20 Resultados transferencia de calor latente (P2-P3) ............................ 104 Tabla 5.21 Resultados eficiencia de saturacin .................................................. 104 Tabla 5.22 Resultados obtenidos en el diseo trmico ....................................... 107 Tabla 5.23 Resultados obtenidos en la prctica de laboratorio ........................... 107 Tabla 6.1 Equipos y materiales ........................................................................... 116 Tabla 6.2 Mano de obra directa ........................................................................... 117 Tabla 6.3 Total Costos Directos .......................................................................... 117 Tabla 6.4 Consultora .......................................................................................... 118 Tabla 6.5 Miscelneos ......................................................................................... 118 Tabla 6.6 Total Costos Indirectos ........................................................................ 119 Tabla 6.7 Costo Total .......................................................................................... 119 13 Tabla 6.8 Costos Directos ................................................................................... 121 Tabla 6.9 Costos Indirectos ................................................................................. 121 Tabla 6.10 Costos Totales ................................................................................... 121 Tabla 6.11 Cronograma de inversiones ............................................................... 122 14 15 NDICE DE FIGURAS Figura 2.1: Condensacin con variacin de presin .............................................. 14 Figura 2.2: Condensacin con variacin de temperatura ...................................... 14 Figura 2.3: pv vs. pg ............................................................................................... 19 Figura 2.4: Carta Psicromtrica ............................................................................. 21 Figura 2.5: Ciclo clsico de evolucin del aire climatizado .................................... 26 Figura 2.6: Ciclo de evolucin del aire ................................................................... 27 Figura 2.7: Enfriamiento evaporativo directo ideal. ................................................ 33 Figura 2.8: Principio de enfriamiento evaporativo por celdas hmedas. ............... 37 Figura 2.9: Diseo interno de paneles CELdek ..................................................... 38 Figura 2.10 Panel CELdek 7060-15 ...................................................................... 39 Figura 2.11 Eficiencia de Saturacin ..................................................................... 40 Figura 2.12 Cada de Presin ................................................................................ 41 Figura 3.1 Componentes del Tnel de Aire Multipropsito .................................... 45 Figura 3.2Caractersticas de salida de aire del ventilador centrfugo. ................. 49 Figura 3.3 Procesos de Pulverizacin ................................................................... 51 Figura 3.4Conveccin .......................................................................................... 57 Figura 3.5 Placa de 45 ......................................................................................... 59 Figura 3.6 Placa de 45 ......................................................................................... 60 Figura 3.7 Placa de 45 ......................................................................................... 60 Figura 3.8 Placa de 15 ......................................................................................... 60 Figura 3.9 Placa de 15 ......................................................................................... 61 Figura 3.10 Placa de 15 ....................................................................................... 61 Figura 3.11 Esquema general del sistema de alimentacin de agua .................... 70 Figura 3.12 Esquema del sistema de flautas ......................................................... 71 Figura 3.13 Sistema de suministro de agua .......................................................... 73 Figura 3.14 Curva de la bomba ............................................................................. 74 Figura 3.15 Esquema drenaje normal ................................................................... 75 Figura 3.16 Esquema sistema de drenaje ............................................................. 76 Figura 3.17 Mdulo de enfriamiento evaporativo vista frontal ............................... 78 Figura 3.18 Mdulo de enfriamiento evaporativo vista posterior ........................... 79 Figura 3.19 Seccin entrada y salida de aire ......................................................... 80 Figura 3.20 Seccin de tratamiento de aire ........................................................... 81 Figura 4.1 Montaje de panel CELdeck, flautas y techo. ........................................ 87 Figura 4.2 Montaje recipiente retorno de agua. ..................................................... 87 Figura 4.3 Bomba sumergible ................................................................................ 88 Figura 4.4 Instalacin de cableado elctrico de cargas trmicas .......................... 89 Figura 5.1 Funcionamiento orificiosde las flautas. ............................................... 93 Figura 5.2 Funcionamiento cargas trmicas. ......................................................... 94 Figura 5.3 Entrada de agua a las flautas. ............................................................ 110 Figura 5.4 Quita gotas. ........................................................................................ 110 Figura 5.5 Panel CELdeck y flautas. ................................................................... 111 Figura 5.6 Cargas Trmicas. ............................................................................... 111 16 Figura 5.7 Modulo de enfriamiento evaporativo. .................................................. 116 NIDICE DE ANEXOS A: Planos de Construccin .II B: Tablas de propiedades del agua y aire (Unidades de SI)....XVII C: Tablas de propiedades del agua y aire (Unidades Inglesas).XXIII D: Clculos....................................................................................................XLIII E: Diagrama Psicromtrico ......XLIII F: Caractersticas Panel CELdek 7060-15.....................................................XLV G:Instrucciones Bomba sumergible 527003XLVIII H:Gua de Laboratorio..LIX

17 Capitulo 1 Generalidades 1.1INTRODUCCIN El presente proyecto de grado Diseo y Construccin de un mdulo de enfriamiento evaporativo por celdas hmedas para el tnel multipropsito del laboratorio de Termodinmica de la ESPE, estconformadoporcuatropartesprincipales,sobrelascualessedesarrollalaTesis,estas partesdeacuerdoalasecuenciadelprogramason:diseo,construccin,tomayanlisisde datos, y conclusiones. En la primera parte del proyecto, dedicada al diseo del mdulo de enfriamiento evaporativo por celdas hmedas,se tiene que tomar en cuenta las variables y constantes principales, entre las cuales estn: temperatura ambiente, temperatura de bulbo seco, temperatura de bulbo hmedo, temperatura de roco, temperatura de salida de aire, presin, humedad relativa, temperatura del aguadeingresoalmdulo,velocidaddelaire,tamaodelasceldas,entreotras.Unavez realizadoeldiseo,seprosiguealasegundapartecorrespondientealaconstruccindel mdulo. La construccin del mdulo estar basada en los datos obtenidos del diseo trmico y del diseo mecnico del mdulo, considerando los materiales, equipos e instrumentos ms apropiados para elmismo.Paralaconstruccinsenecesitarseleccindebomba,tubera,dispositivospara humedecerlasceldas,instrumentosdemedicin,recipientedealmacenamientodeagua,etc. Unavezquehasidoconstruidoelmdulo,sellevaracabolainstalacindelmduloysu sistema de alimentacin y salida de agua. Latercerapartedelproyectodegradocorrespondealatomayanlisisdedatos.Aquse realizarunacalibracindeinstrumentosyequipos,pararealizarunaprcticadelaboratorio piloto en la cual se tomarn los datos e informacin requeridos para analizarlos. Una vez que los datoshansidoanalizados,serealizala validacinderesultadosparaluegorealizarlaguade laboratorio y manual de operacin y mantenimiento del equipo. Finalmente,despusdehaberrealizadolosprocedimientosanteriores,seobtendrnlas conclusionesyrecomendacionesdelproyecto,ascomoelanlisiseconmicoy financierodel mismo.

1.2ANTECEDENTES 18 LaEscuelaPolitcnicadelEjrcitoposeelaboratoriosdegranimportanciaparaelaprendizajey prcticadelosestudiantesqueaoaaoingresanasusaulas.Porelloesnecesarioquelos laboratorios se mantengan actualizados a nivel tecnolgico, de acuerdo con los avances continuos que se presentan en el mercado. El problema a resolver por medio del proyecto degrado es mantener actualizadoal laboratorio de TermodinmicadelaESPE,yporlotanto,elbeneficiariodelproyectosernlosestudiantesdel DepartamentodeEnergayMecnica.Lasposiblesalternativasparasolucionarelproblema planteado son:Adquirir nuevos equipos de laboratorio. Disearyconstruir:adaptacionesymodificacionesalosequiposexistentesenel laboratorio. Disear y construir nuevos equipos de laboratorio. ElproyectoenreferenciaestntimamenteligadoalusodeladenominadaEnergaVerde,es decir,acondicionar espaciossin elusodesustancias contaminantes como loson los refrigerantes comunes. Dentro de las polticas de la ESPE que respaldan el proyecto de grado, encontramos la importancia que da la Escuela a que los estudiantes desarrollen los procesos de aprendizaje e investigacin y apliquen en la prctica el conocimiento cientfico para alcanzar un desarrollo de tecnologa propia, as como la bsqueda de valores de liderazgo y emprendimiento de los mismos. En repetidas ocasiones, los estudiantes de la ESPE han colaborado con la Escuela mejorando los laboratoriosdelamisma,implementandotecnologaactualizadayofreciendounamayorvariedad de alternativas para realizar las prcticas de laboratorio. Comosemencionanteriormente,lanecesidaddelaESPEestenerunamejoracontinua actualizandoloslaboratoriosqueposee.Lasfasesdelproyectosern:investigacin,diseo, construccin,implementacin,elaboracindemanualdeutilizacindeequipoyprcticade laboratorio,pruebasdelaboratorio,conclusionesyrecomendacionessobrefuturosproyectose investigaciones que puedan ser realizados. 1.3DEFINICIN DEL PROBLEMA En la actualidad, en un mundo que est siendo llevado a un inminente calentamiento global, es necesario que las universidades, precisamente la ESPE, colabore con la comunidad y el medio 19 ambiente, desarrollando y actualizando la tecnologa no contaminante de acondicionamiento de aire,aplicndolainicialmenteensuslaboratoriosparaelbeneficiodelasociedadydela comunidad politcnica de la Escuela. 1.4OBJETIVOS 1.4.1OBJETIVO GENERAL Realizar el diseo y construccin de un mdulo para enfriamiento evaporativo por celdas hmedas para la realizacin de prcticas de laboratorio de refrigeracin y aire acondicionado. 1.4.2OBJETIVOS ESPECFICOS Hacer un estudio exhaustivo de la teora que involucra el tratamiento del aire atmosfrico. Realizar el diseo trmico y mecnico del mdulo que efectuar el enfriamiento evaporativo, y que ser acoplable al tnel de aire multipropsito. Construir el mdulo de enfriamiento evaporativo en base a los diseos realizados. Determinarlosbeneficiosdelautilizacindeacondicionamientodeairepormediode enfriamiento evaporativo. Comprobar que la temperatura del aire a la salida del tnel multipropsito seaconfortable para un ambiente de trabajo, utilizando el enfriamiento evaporativo. Desarrollar un manual de utilizacin del equipo a ser diseado y construido. Realizarunaguadelaboratorioestableciendoprocedimientos,losdatostericosy experimentales que deben ser obtenidos en el desarrollo de la prctica. 1.5JUSTIFICACIN E IMPORTANCIA De acuerdo a las necesidades de la ESPE de mantener actualizados los laboratorios de la escuela, seencontrlaoportunidaddecolaborarconlaEscuelaPolitcnicadelEjrcitodesarrollando tecnologa para ser implementada en el laboratorio de Termodinmica, precisamente en el tnel de aire multipropsito. La ESPE por medio de este proyecto de grado, brindar un mejor servicio a los estudiantes, por lo tanto, ser ms competitiva y tendr laboratorios ms completos para cumplir su misin. 20 El proyecto de grado que se presenta, est relacionado con otros proyectos ya realizados; se ve la importanciadelmismoyaquesetratadeunaaplicacindedirectobeneficioparalacomunidad Politcnica de la ESPE. Este proyecto de grado es importante ya que a diferencia de los otros, no ser solamente de estudio terico investigacin, sino, ser un proyecto de diseo y construccin por lo que podr ser aprovechado por todos los estudiantes en un corto plazo. DeacuerdoalosobjetivosestratgicosdelaESPE,esteproyectoesmuyimportanteyaque incentivaalosestudiantesarealizarinvestigacinparabeneficiopropioyparabeneficiodela ESPE. 1.6ALCANCE ElpresenteproyectodegradoesdegranimportanciaparalaESPE,yaquepormediodel mismolaEscuelaseproveerdeequiposcontecnologadepuntaparaimplementarensus laboratorios, siendo el caso, los laboratorios de Termodinmica. ElalcancedelaTesis,serbeneficiosoparalosestudiantesdelaCarreradeIngeniera Mecnica ya que utilizarn equipos de laboratorio actualizados ampliando sus conocimientos en elreadeaireacondicionadoybrindndolesunavisindiferentesobretecnologano contaminante aplicable a la industria. Enbaseaesteproyectodegrado,enunfuturocercano,losestudiantesdelaCarrerade Ingeniera Mecnica estarn en capacidad de desarrollar nuevos proyectos complementarios al mismo y buscando el beneficio de todos. 21 Capitulo 2 Marco Terico Paracomprendersobreelenfriamientoevaporativoy parapoderrealizarelproyectodegrado, esnecesariocomprenderytenerpresentesdiferentesteorasyconceptossobreel comportamientodelasdiferentes variablesdelaireysobreprocesosquesonrealizadosenel acondicionamiento de aire, para lo cual se desarrolla a continuacin el marco terico necesario para realizar el proyecto de grado. 2.1 MEZCLAS GASEOSAS Gases Se denomina gas al estado de agregacin de la materia que no tiene forma ni volumen propio. Su principal composicin son molculas no unidas, expandidas y con poca fuerza de atraccin, haciendo que no tengan volumen y forma definida, provocando que este se expanda para ocupar todo el volumen del recipiente que la contiene. 2.1.1 VARIABLES DE LOS GASES Presin(p):Losgasesejercenpresinsobrecualquiersuperficieconla queentrenencontacto,yaquelasmolculasgaseosassehallanen constante movimiento1.Volumen(V):Ungasseexpandeuniformementehastaquellenael recipientequelocontiene.Estosignificaqueelvolumendeungases, simplemente, el volumen del recipiente2.Temperatura(T):esunparmetrotermodinmicodelestadodeun sistema que caracteriza el calor, o transferencia de energa3.Cantidaddesustancia(n,m):puedeestarexpresadaenmolesoen gramos4.

1 CHANG, Raymond, Qumica, Pg. 1552 MASTERTON SLOWINSKI STANITSKI, Qumica General Superior, Pg. 1483 www.wikipedia.com4 MASTERTON SLOWINSKI STANITSKI, Qumica General Superior, Pg. 148 22 2.1.2 GASES IDEALES Son,hipotticamentehablandogasesidealizadosrespectodelcomportamiento de los gases en condiciones corrientes. Un gas ideal es un gas cuya densidad es suficientementebaja,demodoquelasfuerzasintermolecularesylaenerga asociadasoninsignificantes.Losgasescuandosonexpuestosaaltas temperaturas o a bajas presiones, se comportan como gases ideales5.Ley de los gases ideales Laleydelosgasesidealesestdeterminadaporlaecuacindeestadoo ecuacin de gas ideal que explica la relacin entre las cuatro variables: p, V, T, n. nRoT pV = (2.1) SiendoRolaconstantedeproporcionalidad conocidacomoconstante universal de los gases. mol Katm ltRo= 082057 . 0Hay una ecuacin alterna: RT pv = (2.2) Donde: m V v / = (2.3) Y PM Ro R / = (2.4)

5 VAN WYLEN, Gordon J.; SONNTAG, Richard E., Fundamentos de Termodinmica 23 Por lo tanto:o / 1 = v (2.5) 2.1.3 COMPORTAMIENTO DE LOS GASES Cualquier gas se considera como un fluido, porque tiene las propiedades quele permiten comportarse como tal. Sus molculas, en continuo movimiento, logran colisionar las paredes que los contiene y casi todo el tiempo ejercen una presin permanente. Como el gas se expande, la energa intermolecular (entre molcula ymolcula)hacequeungas,aliraadindoleenergacalorfica,tiendaa aumentar su volumen. Un gas tiende a ser activo qumicamente debido a que su superficie molecular es tambingrande,esdecir,entrecadapartculaserealizamayorcontacto, haciendo ms fcil una o varias reacciones entre las sustancias. Para entender mejor el comportamiento de un gas, siempre se realizan estudios conrespectoalgasideal;aunqueesteenrealidadnuncaexiste,sus propiedades de este son: Ungasestconstituidopormolculasdeigualtamaoymasa,perounamezclade gases diferentes, no.Selesuponeconunnmeropequeodemolculas,assudensidadesbajaysu atraccin molecular es nula.Elvolumenqueocupaelgasesmnimo,encomparacinconelvolumentotaldel recipiente.Lasmolculasdeungascontenidasenunrecipiente,seencuentranenconstante movimiento, por lo que chocan ya sea entres o contra las paredes del recipiente que las contiene6. 2.1.4 LEY DE LAS PRESIONES PARCIALES

6 www.wikipedia.com 24 Enloscasosqueimplicanmezclasdegases,lapresintotaldelgasserelacionaconlas presionesparciales,esdecir,laspresionesdeloscomponentesgaseososindividualesdela mezcla.En1801Daltonformullaleydelaspresionesparciales,lacualestablecequela presin total de una mezcla de gases es igual a la suma de las presiones que cada gas ejercera si estuviera solo ocupando el volumen de la mezcla y a la temperatura de la mezcla. Consideramos un gas A y un gas B con presiones: ;V T R npo AA = ;;AAAv T Rp = (2.6) V T R npo BB = ; ;;BBBvT Rp = (2.7) En una mezcla de gases A y B la presin total pt, es el resultado de las colisiones de ambos tipos de molculas A y B. Por lo tanto: ( )B AOtO B o AtB A tn nVT RpVT R nVT R npp p p+ =+ =+ =(2.8) La presin total de una mezcla de gases esta dada por: n i tP p p p p p + + + + + + = 3 2 1 (2.9) 2.1.5 FRACCIN MOLAR Conviene establecer primero que 25 =i tm mY que =i tn nFraccin molar es una cantidad adimensional que expresa la relacin del nmero de moles ni de un componente, con el nmero de moles total de todos los componentes presentes nt.tiinnx = (2.10) La presin parcial de A se puede expresar: t A ap x p = (2.11) Lo cual es obtenido dividiendo pAentre pt: ( )AtAB AAtAo B Ao AtAxppn nnppV T R n nV T R npp=+=+=// Si un sistema contiene ms de dos gases, la presin parcial del componente i se relaciona con la presin total por: t i ip x p = (2.12) Donde xi es la fraccin molar de la sustancia i. Del mismo modo, en cualquier mezcla gaseosa la fraccin de masa mfi y fraccin volumen vfi del componente i inclusive es mejor en una mezcla, se definen como: VVxii = (2.13) 26 Vi suele llamarse volumen parcial del componentei, y es el volumen ocupado porni moles dei puro o slo a la temperatura y presin de la mezcla7.2.1.6 ENERGA INTERNA DE LOS GASES Basndose en la Ley de Gibbs Dalton, la energa interna total de la mezcla Um viene dada por: == + + + =kii k mU U U U U12 1La energa interna de cada componente puede expresarse como:Ui = miui, siendo ui la energa interna especfica por unidad de masa, por lo que: == + + + = =kii i k k m m mu m u m u m u m u m U12 2 1 1 (2.14) 2.1.7 ENTALPA DE LOS GASES Laentalpadeunamezcladegasesideales,tambineslasumadelasentalpasdelos componentes individuales, por lo que: == =kii i m m mh m h m H1(2.15) 2.1.8 ENTROPA DE LOS GASES Laentropadeunamezcladegasesideales,tambinsepuededeterminarbasndoseenla regladeGibbsDalton.Comocadagassecomportacomosiestuvierasoloocupandoel volumen V del sistema a la temperatura T de la mezcla, se puede escribir: == + + + =kii k mV T S V T S V T S V T S S12 1) , ( ) , ( ) , ( ) , ( (2.16)

7 CHANG, Raymond, Qumica, Pgs. 175 177. VAN WYLEN, Gordon J.; SONNTAG, Richard E., Fundamentos de Termodinmica, Pgs. 447-448 27 La constante de los gases es: =i iR x R (2.17) La capacidad trmica especfica a presin constante: =i icp x cp (2.18) La capacidad trmica especfica a volumen constante es: =i icv x cv (2.19) 2.1.9 MEZCLA DE UN GAS IDEAL Y UN VAPOR Se ha visto que en una mezcla de gases ideales cada gas ejerce una presin igual a su presin parcial,lacualnuncapuedesermayorquelapresindesaturacindeesecomponenteala temperatura de la mezcla. Cualquier intento de aumentar la presin del componente por encima delapresindesaturacinprovocarunacondensacinparcialdelvapor.Porejemplo, considreseelaumentodelapresintotaldeunamezcladegasesidealesatemperatura constante.Comolasfraccionesmolaresdecadacomponentegaseososonfijas,lapresinde cada componente aumenta en proporcin directa al aumento de la presin total. Sin embargo, si al iraumentandocada vez mslapresin, lapresindeuncomponentecualquierasobrepasa finalmentesupresindesaturacinaesatemperatura,elgascomenzaracondensar.Elgas que condensa en estas circunstancias suele recibir el nombre de vapor. 28 Figura 2.1: Condensacin con variacin de presin Cuando una mezcla gas-vapor se enfra a presin constante, tiene lugar una situacin anloga. Enestecaso,lapresindelcomponentevaporpermanececonstante,perofinalmentela temperaturadisminuyelosuficientecomoparaigualarlatemperaturadesaturacindela componentedada.Cuandolatemperaturadesciendeaunms,lapresindesaturacin correspondienteaesatemperaturasehacemenorquelapresinparcialreal,ydeahque condense algo de vapor8. Figura 2.2: Condensacin con variacin de temperatura 2.2 EL AIRE El aire es una mezcla de gases que rodea la tierra y que conforman la atmsfera. 2.2.1 PROPIEDADES DEL AIRE Elaireestransparente,inodoro,incoloroeinspido,esmalconductordelcalorycuandoest secodelaelectricidad.El99%delosgasesqueintegranelaireconstituyenunamezclade oxgenoynitrgeno.Losresultadosdetodaslasinvestigacionesrealizadasdemuestranqueel contenidodelaireenestosdosgasesesaproximadamenteigualentodoslospuntosdela Tierra.

8 WARK K. - RICHARDS D.E, Termodinmica, Pgs. 491-492 29 El contenido de gases nobles representa en la composicin del aire el 0,9349% en volumen; en cambio, el contenido en hidrgeno y anhdrido carbnico oscila dentro de ciertos lmites, siendo mayor en las proximidades de los ncleos urbanos donde existen industrias que queman carbn, que en las regiones no industriales9. 2.2.2 COMPOSICIN La capa de aire retenida por la fuerza de atraccin de la tierra y que toma parte en su rotacin, es una mezcla de diferentes gases: 78,03% de nitrgeno, 20,99% de oxgeno, 0,93% de argn, 0,03% de anhdrido carbnico y vestigios de otros gases, sobre todo de los denominados nobles y otros procedentes de la contaminacin del hombre. Hastaunaalturadeunos120Km.Nosealteraesencialmentelacomposicindeestamezcla area.Lonicoquedisminuyeconlaalturaesladensidaddelosgases.Peroaalturaspor encima de los 120 Km. Tiene lugar la difusin gaseosa. 2.2.3 ATMSFERA LaAtmsferaterrestreesunamasagaseosaqueconstituyelacapaexternaqueenvuelvela Tierra.Poseeunespesordeunos2.000Km.Desdelasuperficiedela Tierra,ysecaracteriza porlosgasesquelaforman(mayoritariamenteoxgeno)yporactuardeformasimilaraun termostato que regulara el calor externo e interno de la Tierra. En la atmsfera es primordial su composicin,suformaysuestratificacin.Cadaunodesuscomponentescumpleunamisin imprescindible para la vida en la Tierra. Deacuerdoconlaaltitud,composicin,temperaturayotrascaractersticas,laatmsferaque rodea a la Tierra comprende diferentes capas o regiones. 2.2.3.1 La presin atmosfrica Los gases y vapores que constituyen la atmsfera estn sometidos a dos fuerzas antagnicas: la de expansin, originada por el movimiento de las molculas que intentan ocupar todo el espacio disponible, y la de la gravedad que consigue retenerlos.

9 Enciclopedia Multimedia Universal 30 La experiencia de Torricelli vino a demostrar que el peso del aire que gravita sobre nosotros es capaz de ejercer una presin considerable, equilibrando una columna de mercurio de 76 cm. de altura,encondicionesnormales.Sisuponemosquelaseccindeestacolumnaesde1cm2, sabiendoque1cm3demercurioa0Cpesa13,6g.,lacolumnadeairequegravitasobreel mercurio pesa 1033,6 g. A esta presin, evaluada por la fuerza ejercida por unidad de superficie, se le llama presin atmosfrica, y se mide con un aparato llamado barmetro; sus unidades son: torr, Pa, mmHg, bar, atm, etc. La presin vara con la altitud, con el da (poco), y con el ao; en las latitudes medias, la presin es elevada en invierno y baja en verano en medio de los grandes continentes; lo contrario ocurre en los ocanos10. 2.3 PSICROMETRA 2.3.1 DEFINICIONES 2.3.1.1 Psicrometra Engeneral,laPsicrometraestudialaspropiedadestermodinmicasdemezclasdeaire.En particular, la mayora de las aplicaciones se refieren al aire hmedo, considerado como la mezcla deairesecoyvapordeagua.LaPsicrometraresultaentoncestileneldiseoyanlisisde sistemasdealmacenamientoyprocesadodealimentos,diseodeequiposderefrigeracin, estudiodelsecadodealimentos,estudiosdeaireacondicionadoyclimatizacin,torresde enfriamiento,yentodoslosprocesosindustrialesqueexijanun fuertecontroldelcontenidode vapor de agua en el aire. 2.3.1.2 Temperatura de Bulbo Seco (Tbs) Eslatemperaturadeunamezclagas-vaporqueesmedidacontermmetroconvencional debidamente protegido de la radiacin trmica. 2.3.1.3 Temperatura de Roco (Tr)

10 Enciclopedia Multimedia Universal 31 Cuando se enfra a presin constante una mezcla de aire seco y vapor de agua desdeun estado nosaturado,latemperaturaalaquelamezclasevuelvesaturada,oalaqueempiezala condensacin, se denomina, punto de roco. 2.3.1.4 Temperatura de Bulbo Hmedo (Tbh) Eslatemperaturaquealcanzauntermmetrocubiertoconunpaohmedoqueseexponea unacorrientedeairesinsaturarquefluyea velocidadescercanasa5m/s.Cuandoelpaose exponealaire,partedelaguaseevapora,consumiendoinicialmentecalorlatentedelpaoy produciendoundescensodelatemperaturadeltermmetro.Apartirdedichomomentofluye calordesdeelairehaciaelpao,permitiendolaevaporacindemsagua.Elprocesosigue hasta que se alcanza el equilibrio entre ambos flujos de calor, similarmente a como ocurre en el proceso de saturacin adiabtica. 2.3.1.5 Proceso de Saturacin Adiabtica Una mezcla de aire-vapor se pone en contacto con una masa de agua en un ducto bien aislado. Si la humedad relativa inicial es menor al 100%, habr evaporacin del agua en cierto grado y la temperatura de la mezcla aire-vapor disminuir. Si la mezcla al salir del ducto est saturada y si elprocesoesadiabtico,latemperaturadelamezclaalsalirdelducto,seconocecomola temperatura de saturacin adiabtica. Lo ms importante en el proceso de saturacin adiabtica, es que la temperatura de saturacin adiabtica (Th) es funcin de la presin, de la temperatura y de la humedad relativa e la mezcla entrante y de la presin de salida11. 2.3.1.6 Humedad Relativa () La humedad relativa de una mezcla de gases ideales se define como el cociente entre la presin parcial del vapor en una mezcla y la presin de saturacin del vapor a la temperatura de bulbo seco de esa mezcla. Si pv representa la presin real del vapor y pg la presin de saturacin a la misma temperatura. gvpp | (2.20)

11VANWYLEN,GordonJ.;SONNTAG,RichardE.,FundamentosdeTermodinmica,Pgs. 461-462 32 Figura 2.3: pv vs. pg 2.3.1.7 Relacin de Humedad () Indica la cantidad de vapor de agua contenida en una mezcla con respecto a la cantidad de aire secopresente;seloconocetambincomohumedadespecfica.Se define como el cociente entre la masa de vapor de agua mv y la masa de aire seco ma. avmm e (2.21) Se relaciona y : avppe | 622 . 0 = (2.22) 2.3.1.8 Factor de Calor Sensible (SHF) El factor de calor sensible es la razn aritmtica del calor total sensible (SH) al calor total (TH), en el que el calor total es la suma del calor sensible y el calor latente (LH). 33 THSHLH SHSHSHF =+= (2.23) 2.3.1.9 Factor de calor sensible del local (RSHF) Elfactordecalorsensibledellocal(RSHF)eslarazndelcalorsensibledellocal(RSH)ala suma del calor sensible (RSH)y del calor latente del local (RLH). RTHRSHRLH RSHRSHRSHF =+= (2.24) 2.3.1.10 Factor de calor sensible total (GSHF) Estecoeficienteeslarelacinentreelcalorsensibletotal(TSH)yelbalancetrmicodela instalacin, incluyendo todas las cargas de calor sensible (TSH)y latente (TLH)que proceden del aire exterior. Est definido por la relacin: GTHTSHTSH TLHTSHGSHF =+= (2.25) 2.3.2 CARTA PSICROMETRICA Lacartapsicromtricaeslarepresentacingrficadelaspropiedadestermodinmicasdelaire hmedo.Conocidoslosvaloresdedospropiedadespsicromtricascualesquiera,todaslas dems pueden ser obtenidas sin ningn clculo12. Latemperaturadebulboseco,Tbs,larelacindehumedadylapresintotalpsontres propiedadesimportantesdelairehmedoqueseempleanparaconfeccionarundiagrama psicromtrico.Cadadiagramapsicromtricoseconstruyeparaunanicapresintotal.Enel diagrama, la temperatura de bulbo seco aparece en el eje horizontal y la relacin de humedad se representaenelejevertical.Laslneasdehumedadrelativaconstantesoncurvasconla concavidadhaciaarriba,quevandesdelaparteinferiorizquierdadeldiagramahastalaparte superiorderecha.Lacurvadesaturacinrepresentaellugardelosestadosenlosquela humedad relativa es igual al 100% y la mezcla de aire hmedo est saturada de vapor de agua. Tambinsedibujanlneasadicionalesdehumedadrelativaconstante,quesiguenlaforma

12 CARRIER COMPANY, Manual de aire acondicionado, Pgs. 111-112 34 general de la curva de saturacin. Para una presin total determinada, la relacin de humedad, la humedad relativa y la temperatura de bulbo seco estn matemticamente relacionadas13. Figura 2.4: Carta Psicromtrica 2.4 PROCESOS Y SISTEMAS COMUNES DE AIRE ACONDICIONADO 2.4.1DEFINICIONES Elacondicionamientodeaireeselprocesodetratamientodelmismoenunambienteinterior, conelfindeestablecerymantenerlosestndaresrequeridosdetemperatura,humedad, limpieza y movimiento. Control de las condiciones de acondicionamiento de aire: Temperatura: La temperatura del aire se controla calentndolo o enfrindolo.Humedad:Lahumedad,queeselcontenidodevapordeaguaenelaire,secontrola, agregando o eliminado vapor de agua al aire (humidificacin o deshumidificacin). Limpieza: La limpieza o calidad del aire se controla ya seamediante filtracin que es la eliminacindecontaminantesindeseablespormediodefiltrosuotrosdispositivos,o medianteventilacin,queeslaintroduccindeaireexterioralespaciointerior,conlo cual se diluye la concentracin de contaminantes.

13 WARK K. - RICHARDS D.E, Termodinmica, Pgs. 501- 502 35 Movimiento: El movimiento del aire se refiere a su velocidad y a los lugares hacia donde se distribuye. Se controla mediante el equipo adecuado para distribucin de aire. Ladefinicindeacondicionamientodeairequehemosdadonoimplicaquecadaunodelos sistemas regule todas las condiciones citadas14. 2.4.2 SISTEMAS MS COMUNES 2.4.2.1 Sistemas de solo aire La esencia de estos tipos de sistemas es que solo distribuyen aire a los recintos.Clasificacin: Sistemadezonanicaounizonas:sonlossistemasmssencillosdesoloaire.Unaunidad primero acondiciona y despus distribuye un volumen constante de aire por un ducto a un grupo de recintos. Por lo tanto, no se puedencontrolar porseparado las condiciones en cada uno de ellos.Estesistemadeacondicionamientodeaireestaconformadopor:unventiladorde suministro de aire, un serpentn de enfriamiento, un serpentn de calentamiento, un ventilador de retorno de aire,un serpentn de precalentamiento y filtros. Para lograr el control de humedad o temperatura por separado en diversas zonas, se pueden usar unidades individuales de unizonas. Sistemas de recalentamiento: en esta disposicin, los ductos sencillos separados, se distribuyen desde la unidad de manejo de aire hasta cada zona o recinto que se va a controlar por separado. Se usa unserpentn de recalentamiento en cada uno de esos ductos. De ese modo se pueden lograrcontrolesdetemperaturayhumedadporseparadoencadazona.Launidadbsicade acondicionamiento de aire es la misma que la del sistema de unizona, excepto quiz porque se puede eliminar el serpentn principal de recalentamiento. Sistemas de zonas mltiples o multizonas: el sistema multizonas usauna unidad de manejo de airequetieneunserpentndecalentamiento(plantacaliente)yunserpentndeenfriamiento (planta fra) en paralelo. La unidad se tiene con puertas de zona, a travs de las plantas caliente yfraalasalidadelaunidad.Secolocanductosseparadosquepartendecadaconjuntode compuertashastacadazona.Elairefroyelcalientesemezclanenproporcionesvariables mediante las compuertas, de acuerdo con las necesidades de las zonas.

14 PITA, Edgard G., Principios y sistemas de acondicionamiento de aire, Pgs. 2-3 36 Sistemas de doble ducto: en esta disposicin se colocan ductos cabezales separados para are fro y caliente, desde los serpentines de calefaccin y enfriamiento en la unidad manejadora de are.Lascajasmezcladorassecolocanencadazona,yrecibenelaredelosductosfroy caliente.Lascompuertasenlacajamezcladorarespondenauntermostatodelrecinto,y mezclanlaproporcindeairecalienteyfroparaentregarloalazona.Lossistemasdedoble ducto se disean en generalcomo sistemas de aire de alta velocidad, para reducir los tamaos de los ductos. Sistemas de volumen variable de aire (VAV): en estos sistemas se tiene un solo ducto principal que parte de la unidad manejadora de aire, al igual que un sistema de unizona. Sin embargo, la cantidaddeairequesesuministraacadaramalvara.Untermostatoderecintohacetrabajar una compuerta u otro dispositivo de control que regula el flujo volumtrico de aire a la zona, en respuestaalacarga.Lacreacindeunidadesterminalesmejoradas,capacesderegular considerablementeel volumendeaire manteniendoal mismotiempounacirculacinadecuada enelrecinto,hapermitidoextenderelrangodeestossistemasdevolumenvariabledeairea aplicaciones con grandes variaciones de carga. Si se combina el VAV con el recalentamiento se tieneunsistemaeficienteenenerga,yalmismotiempo,unbuencontroldehumedadana cargas muy bajas. 2.4.2.2 Sistemas de solo agua Lossistemashidrnicosdistribuyenaguacalienteoheladadesdelaplantacentralhastacada recinto. No se distribuye aire desde la planta central. Las unidades terminales hidrnicas, como porejemplolasdeventiladoryserpentn,calientanoenfranelairedelrecinto.Elairede ventilacinpuedeentraratravsdelaparedexteriorylaunidadterminal.Enunsistema hidrnico tpicodecalefaccin,elaguasecalientaenla fuentedecalor,queporlogenerales una caldera. El agua caliente se hace circular mediante una bomba, pasa a cada recinto a travs dela tuberayentraaunaunidadterminal.Elairedelrecintosecalientaalentrarencontacto con la unidad terminal. Como el agua pierde su calor al pasar a las habitaciones, debe regresar a lafuentedecalorparavolveracalentarse.Unsistemahidrnicodeenfriamiento,funcionade modosemejantealdeunohidrnicodecalefaccin.Elaguaseenfraenunequipode refrigeracin, que se llama enfriadora de agua. Una bomba hace circular el agua helada, y sta pasa a cada recinto a travs de tuberas y entra a una unidad terminal. El aire caliente del cuarto pierde su calor en el agua fra de la unidad terminal. Como esta agua se calienta, debe regresar a la enfriadora de agua para volver a enfriarse. 2.4.2.3 Sistemas combinados de agua y aire 37 Lossistemasdecombinacinaire-aguadistribuyentantoaguaheladayocaliente,yaire acondicionado desde un sistema central, hasta los recintos individuales. Las unidades terminales encadarecintoenfranocalientanalrecinto.Lossistemasaire-aguaempleanlasmejores caractersticasdelossistemasdesoloaireydesoloagua.Lamayorpartedelaenergala transporta el agua. En general, las cantidades de aire que se distribuyen slo son las suficientes para ventilacin. Se pueden usar unidades de ventilador yserpentn como unidades terminales de recinto, dispuestas para recibir el aire distribuido desde una unidad central, o bien, el aire se puedesuministrardirectamentealrecinto.Sinembargo,elsistemaaire-aguamscomnusa unidades terminales que se llaman unidades de induccin. El aire central que se entrega a cada unidad se llama aire primario. A medida que pasa por la unidad de alta velocidad induce aire del recinto (aire secundario) a travs de la unidad y a travs del serpentn de agua.

2.4.3 PROCESO Ciclo de evolucin del aire 26 El ciclo clsico de evolucin del aire climatizado puede representar sobre el diagrama psicromtrico, tal como se indica en la figura 2.5 Figura 2.5: Ciclo clsico de evolucin del aire climatizado 27 Elaireenelestado(3),mezcladeaireexterior(2)yelairederetorno(1),pasaatravsdel aparato acondicionador, y su evolucin se representa por la lnea (3-4). Abandona el aparato en (4) y es impulsado hacia el local donde absorbe calor y humedad, segn la transformacin (4-1). En general, gran parte del aire impulsado vuelve a recogerse para su mezcla con el aire exterior. La mezcla pasa a travs del aparato donde abandona la humedad y calor recibidos, al objeto de mantener las condiciones deseadas. La seleccin de los aparatos adecuados para llevar el aire a las condiciones deseadas depende deunciertonmerodefactores.Losfactoresqueafectanasuestado,definidoporsu temperaturaysuestadohigromtricoson:factordecalorsensible,eldellocal,eltotal,la temperatura equivalente de la superficie, el factor de bypass y el efectivo15. Figura 2.6: Ciclo de evolucin del aire 2.4.4 Factor de Bypass (BF)

15 CARRIER COMPANY, Manual de Aire Acondicionado, Pgs.110-111 28 ElfactordeBypassdependedelascaractersticasdelabateraydesuscondicionesde funcionamiento.Seconsideraquerepresentaelporcentajedeairequepasaatravsdela batera sin sufrir ningn cambio. r er shr hehr hsTr TbseTr TbssBFe ee e=== (2.26) Donde: Tbss = temperatura de bulbo seco a la entrada, Tbse = temperatura de bulbo seco a la salida, Tr = temperatura de roco. 2.4.5 Factor de contacto (CF) La expresin (1 BF) se llama con frecuencia factor de contacto (CF), y representa el porcentaje de aire que sale de la batera en las condiciones que corresponden al ADP (punto de roco del aparato).Elfactordecontactoestambinconocidocomoeficienciadesaturacinparalos paneles CELdek16. Tagua TbseTbss TbseCF ES= = (2.27) 2.5 ENERGA VERDE 2.5.1 DEFINICIN Energa o electricidad verde o limpia es un trmino para describir la electricidad generada a partir defuentesdeenergarespetuosasconelmedioambiente.Lasenergasverdessonenergas renovables que no contaminan, es decir, cuyo modo de obtencin o uso no emite subproductos que puedan incidir negativamente en el medio ambiente. 2.5.2 CARACTERSTICAS Lasenergasrenovablessuelenclasificarseenconvencionalesyno convencionales,segnseaelgradodedesarrollodelastecnologasparasu

16 CARRIER COMPANY, Manual de Aire Acondicionado, Pgs. 115-116. 29 aprovechamiento, y la penetracin que presenten en los mercados energticos. Dentro de las convencionales, la ms difundida es la hidrulica a gran escala.Dentro de las energas renovables no convencionales (ERNC) se consideran la elica,lasolar,lageotrmicayladelosocanos.Adems,existeunaamplia gama de procesos de aprovechamiento de la energa de la biomasa que pueden sercatalogadoscomoERNC.Deigualmanera,elaprovechamientodela energa hidrulica en pequeas escalas se suele clasificar en esta categora. La electricidad verde se genera a travs de diferentes tecnologas renovables, aprovechando los flujosdeenerganaturaldelaTierra.Algunostiposdefuentedeenerganaturalsonelviento (energa elica), el sol (energa solar), el agua (energa hidrulica, de las olas o de las mareas) y biomasa, siempre que estos flujos sean utilizados de forma sostenible. Caractersticas de la energa verde: Es limpia y no contribuye al cambio climtico. Es segura, al contrario que la energa nuclear. No se acaba, al contrario que las fuentes de energa mineral como el petrleo, el gas, el uranio o el carbn. La energa renovable es un amplsimo recurso con grandes posibilidades de explotacin. 2.5.2.1 Relacin entre energa verde y enfriamiento evaporativo Elprincipiodelenfriamientoevaporativo,procesonaturalqueempleaelagua,medioeficazy probado para la transmisin del calor excedente a la atmsfera como refrigerante, se aplica en la industria desde hace ms de 100 aos, pero en un momento en que el ahorro de energa se ha hecho crucial para el mantenimiento del equilibrio medio ambiental, su importancia se multiplica.

Larefrigeracinevaporativasehamanifestadocomolatecnologamseficazparalimitarla prdidadeenergaenlosprocesosindustriales,loqueredundaenunahorrodeenerga elctrica. La produccin de energa elctrica es uno de los principales agentes que influyen en el calentamientodelPlanetaporloquelautilizacindeequiposderefrigeracinevaporativa contribuye a limitar el mismo. 2.5.2.2 Soluciones medioambientales ptimas 30 Con el paso del tiempo, los equipos de refrigeracin evaporativa se han adaptado a las nuevas exigencias medioambientales: Su vida til se ha ampliado debido al uso de materiales resistentes a la corrosin. Laeficaciadelosprocesosdetransmisindecalorhaaumentadoporeldesarrollode los intercambiadores de calor con configuraciones mejoradas. Losnivelessonorossehanreducidomedianteelusodeventiladoresmenosruidosos, con diseo aerodinmico y accesorios reductores de ruidos. Sehancreadomodelosmatemticossofisticadosdemodoqueelrendimientotrmico delosequipospuedepredecirsebajounaampliavariedaddecondicionesde funcionamiento. 2.6 ENFRIAMIENTO EVAPORATIVO 2.6.1 DEFINICIN El enfriamiento evaporativo es el enfriamiento del aire por la evaporacin del agua, es decir que elcalorlatentedeevaporacinseabsorbedelcuerpodelaguaydelairecircundante,dando como resultado el enfriamiento tanto del agua como del aire durante el proceso. 2.6.1.1 Enfriamiento evaporativo directo Elenfriamientoevaporativodirectoseproducecuandoelaguaseevaporaenelaire, humectndolo simultneamente. 2.6.1.2 Enfriamiento evaporativo natural Elenfriamientoevaporativonaturalocurrecercadecadasdeaguayros,sobrelagosy ocanos, debajo de follajes densos y en superficies mojadas, en particular, la piel humana. 2.6.2 CARACTERSTICAS La teora del enfriamiento evaporativo se basa en el fenmeno de transferencia de calor y masa que ocurre entre el agua y el aire. 31 2.6.2.1 Transferencia de calor y masa Cuando agua y mezclas aire agua no saturadas estn en contacto, aisladas trmicamente de otrasinfluencias,la transferenciadecaloryde masaocurreenteellascomouna funcinde la diferencia entre sus respectivas temperaturas y presiones de vapor. La transferencia de masa consiste en la evaporacin del agua desde la superficie, mezclndose con el vapor de agua que se encuentra en el aire.Sin embargo, lo contrario tambin sucede: el vapor de agua del airese condensasobre cualquiersuperficie de agua expuesta, que obtenga una temperatura correspondiente a una presin de vapor ms baja. La transferencia de masa y calor interactan aqu, ya que la evaporacin requiere absorcin de calorylacondensacinrequiereremocindelmismo.Deestemodo,intercambiosdecalory vapor ocurren hasta que se igualan las temperaturas y presiones de vapor. 2.6.2.2 Limites de enfriamiento evaporativo Hay lmites para el enfriamiento evaporativo debidosa la saturacin adiabtica. La cantidad de calor sensible removido no puede exceder el calor latente para saturar el aire con vapor de agua. El aire que est saturado en alrededor de un 50%, puede absorber menos vapor y calor latente queelaireseco;as,puedeconvertirmenoscalorsensibleencalorlatente.Mientrasmsse acerca el proceso a la condicin de adiabtico, mayor ser su capacidad para enfriar el aire. 2.6.2.3 Enfriamiento evaporativo ideal Elenfriamientoadiabticoesideal.Esteprocesosiguelatrayectoriadelneasdeentalpas constantes y se lo aprecia en la figura 2.7. Siguiendo este proceso en el diagrama psicromtrico, setieneelpuntodeestadocorrespondientealambienteexteriorocondicionesiniciales.Este puntoeslocalizadoenlacartapsicromtricaenlainterseccindelalneadetemperaturade bulbosecoydebulbohmedoolneadehumedadrelativa.Estopermiteubicarsuhumedad especfica, punto de roco y volumen especfico (Punto A, figura 2.7). Elaireesluegohumectadoadiabticamenteporcontactocongrandessuperficieshmedasa una temperatura cercana a la temperatura de bulbo hmedo. En enfriadores del tipo de goteo, el airefluyeatravsdealmohadillashmedas.Enloslavadoresdeaireatravsdenubes finamenteatomizadasporboquillasdeaspersin.Entodosloscasos,elaguarecirculalo suficientemente rpido para aproximarse a la temperatura de bulbo hmedo del aire.32 El calor sensible del aire se transmite al agua y viene a ser calor latente de evaporacin. De esta manera, la temperatura de bulbo seco disminuye. El calor sensible perdido es compensadopor su simultnea absorcin de vapor de agua conteniendo calor latente equivalente. La mayor parte deesteairellegaasaturarseyalcanzaelestadomostradoporelpuntoB,dondeintersecala lneadesaturacin.Sinembargo,ciertacantidaddeaireescapasinserafectadaporlas almohadillashmedasopartculasatomizadasporlasboquillas,osefiltraenlaestructuradel enfriador. Este aire permanece en el estado inicial A. En el enfriamiento evaporativo real el aire saturado y el aire residual seco se mezclan, creando un estado que puedeser ilustrado porel punto Cenla lnea que conecta A y B, espaciado de acuerdoasuspropiedadesrelativas.Luego,eneltranscursodeventiladoresyductos,ocurre calentamiento por friccin. Esto hace que el punto de estado final se desplace a la derecha hasta el punto D, indicando un aumento leve de temperatura (ver figura 2.7). Figura 2.7: Enfriamiento evaporativo directo ideal. 33 2.6.2.4 Ventajas del enfriamiento evaporativo Ahorrodeenerga:Tantoporsuaplicacincomoporsudiseo,losequiposde enfriamientoevaporativoahorranenergay,porconsiguiente,reducenlaemisinde gasesdeefectoinvernadero.Enprimerlugar,lastemperaturasmsbajasde enfriamientodeaguaaseguranunfuncionamientoptimodelprocesoyreducenel consumo de energa; ensegundo lugar, el equipo esaltamente eficaz energticamente debido al uso de transferencia de calor latente de evaporacin. Mxima seguridad: Los equipos de enfriamiento evaporativo reducen el riesgo de fugas o escapes de refrigerante nocivo. Menorconsumoderecursos:Elaguadeenfriamientoesrecirculadayporellose producenmnimasprdidasdeagua.Unapequeacantidadseevaporayotrase evacuaparaevitarlaconcentracindesales.Elahorrodeagua,comparadoconun sistemaderefrigeracindeunsolopaso,superael95porciento.Lasnecesidadesde energaelctricatambinsonmuybajas.Comosenecesitaaproximadamenteuna cuarta parte de aire, en comparacin con un equipo de enfriamiento por aire, el consumo de energa de motores de ventiladores es muy inferior. Bajoimpactomedioambiental:Elenfriamientoevaporativoproduceunimpacto medioambientalreducidoenloquerespectaalruidoyalasprdidasdeagua.Como requiereunmenorcaudaldeaire,necesitaun menornmerode ventiladoresymenos velocidaddegirodestos,porelloseproduceunruidomenor.Loseliminadoresde gotaslimitanlaprdidadeaguaacantidadesmuypequeas;apartedeesto,es interesantedestacarquelospenachosdenieblaqueseformanenocasiones,estn compuestos por vapor de agua puro totalmente inofensivo. 2.6.3 CLASIFICACIN Los sistemas de enfriamiento evaporativo se dividen en: Enfriamiento evaporativo por aspersores de tipo atomizador Enfriamiento evaporativo por celdas hmedas 34 2.6.3.1 Enfriamiento evaporativo por aspersores de tipo atomizador Lossistemasdeenfriamientoevaporativoporaspersoressonconocidostambincomo lavadoresdeairede tipoatomizador, loscualessecomponendeunacmaraque contieneun sistemadeboquillasaspersoras,untanquequerecolectaelaguaquecaedelsistemade aspersin,yunaseccinparaeliminarlasgotasdeaguaquepuedenseracarreadasporla corrientedeaire.Unabombarecirculaaguaaunatasamsaltaquelatasadeevaporacin. Finalmente, un contacto intimo entre el agua y un flujo de aire, causa la transferencia de calor y masa entre ellos. Los requerimientos para la operacin son: Distribucin uniforme del aire a travs de la cmara de aspersin. Una adecuada tasa de aspersin de agua actuando en muy finas gotas. Una buena distribucin de la aspersin a travs de la corriente de aire. Una suficiente longitud de viaje del aire en la cmara de aspersin. Eliminacin de gotas presentes en el aire obtenido despus de su paso por la cmara. La resistencia del aire a travs de la cmara de aspersin vara con el nmero de aspersores y bancos de aspersin utilizados, su orientacin y la velocidad del aire, adems de otros factores entre los que se incluye la densidad del aire17. 2.6.3.2 Enfriamiento evaporativo por celdas hmedas Elconceptobsicodelenfriamientoevaporativoporceldashumidificadoraseselponeren contactoelaireconunasuperficiehmedadelacualseevaporaelaguaconlaconsecuente disminucindetemperaturaenelairecirculante.Lasceldasproducenelenfriamiento evaporativoperosinelpeligrodeintroducirgotasalacorriente,yaqueelaguaabandonalas superficiesdelasceldasenformadevaporylatransferenciadecalorserealizadesdela superficie a la corriente circulante. Elaguasedistribuyedesdeunsistemasuperiordetubera.Unabombacentrfugabombeael aguadesdeelsumideroinferioralsistemadedistribucinsuperior.Elsumiderootanquede agua tiene una conexin para alimentacin de agua la que es accionada por una vlvula flotador; ademsposeeunatuberaderebosamientoyundrenaje.Eldiseotambinincorpora accesorios para purgar el agua.

17 CARRIER COMPANY, Manual de Aire Acondicionado, Pgs. 115-116. 35 Elairefluyehorizontalmenteatravsdelasceldas,mientrasqueelaguafluyedemanera verticaloenocasionesligeramenteoblicuaparaproducircontra flujosobrelasparedesdelas celdas y maximizar la eficiencia de transferencia de calor18. Figura 2.8: Principio de enfriamiento evaporativo por celdas hmedas. 2.7 CELDAS HMEDAS Lasceldastienendiseosparticularesparamaximizarlatransferenciadecaloryoptimizarel consumodeagua.Seconstruyenenmaterialesporososyquesehumedecenconfacilidad; frecuentemente se tratan qumicamente para incrementar su humectabilidad. Las celdas son un diseo de canales cruzados, el cual produce una alta turbulencia de mezclado deaireyaguaparaobtenerunatransferenciaptimadecaloryhumedad.Estosedebeala geometrainternadeltablero.Elnguloqueconforman15y45,quedirigeelaguaenforma continuahaciaelladodeentradadelaire.Estetipodeceldaspresentanlassiguientes caractersticas: La ms alta eficiencia de enfriamiento: Hasta un 90% mayor en un rango de velocidad de 2 - 2.5 m/s. (400-500 pie/min.) con paneles de 305 mm. (12") de espesor. Debido a que la evaporacin es ms intensa en los primeros centmetros del panel, es importante que el agua se concentre en dicho lugar.

18Estudioydiseodesistemadeaireacondicionadodeenfriamientoevaporativoporceldas humidificadorasparaeledificiodelasoficinasdeIBMdelEcuador(Tesis,FacultaddeIng. Mecnica, ESPE, ao 2001). 36 Mayorvelocidaddeaire:Debidoalarreglodengulosenloscanales,sepueden manejarvelocidadesdeairedehasta3.3m/s.(650pies/min.)sintenerproblemasde arrastre de agua lquida al exterior del panel y con una baja resistencia al paso del aire.Eldiseoauto-limpiante:Alospanelesnolesafectaelpolvoolatierradelos alrededores.Alconectarse lacirculacindeagua,el panelseenjuagasiendomayorel arrastre en el lado de entrada del aire, que es donde normalmente se acumulan basuras. Figura 2.9: Diseo interno de paneles CELdek 2.7.1 CARACTERSTICAS DE CELDA SELECCIONADA La celda con la que se va a realizar el proyecto de grado, es una celda CELdeK 7060-15, la cual presenta las siguientes medidas 37 Tabla 2.1 Dimensiones de la Celda Sist. InglsUnidadesSIUnidades Ancho12in0,3048m Alto8in0,2032m Espesor8in0,2032m Area Transversal96in20,062m2 Permetro40in1,016m Figura 2.10 Panel CELdek 7060-15 Los paneles CELdeK 7060-15, presentan las siguientes curvas de eficiencia desaturacin y de cada de presin: 38 Figura 2.11 Eficiencia de Saturacin 39 Figura 2.12 Cada de Presin 2.8APLICACIONESDESISTEMASDEENFRIAMIENTOEVAPORATIVOPORCELDAS HMEDAS Almacenes de productos voltiles Nosevolatilizanlosproductosalmacenados,disminuyendolosriesgosdeincendios, eliminndose los gases y olores. Almacenes de productos farmacuticos Se conservan perfectamente los medicamentos. Aplicacin de pinturas 40 Con niveles correctos de humedad en la aplicacin de pinturas en spray o con procesos electrostticos,seeliminalaelectricidadestticaysereducelaentradadepolvoque provocacostososrechazosElresultadoesunacabadosuperioryunareduccinenla cantidad de pintura utilizada. Artes grficas Unatemperaturayuncontenidodehumedadcorrectomantendrnlaresistenciadel papelylohar menosquebradizo.Elpapeldemasiadosecosecargaconfacilidadde electricidadestticaquedificultasumanipulacin.Asegurandounnivelconstantede humedaddurantesuprocesodeimpresin,semantienenlaspropiedadesdelpapel reduciendo el riesgo de errores y un ahorro de las tintas de impresin. Bingos y salas de juego Temperaturas confortables. Se eliminan totalmente los humos del tabaco y olores. Bodegas de vinos La crianza del vino no se interrumpe. La flor permanece siempre arriba. No se evapora el vino de la bodega ni se embastece. Se oxigena plenamente la bodega. En los conos de fermentacin la levadura queda siempre en la superficie. Baja la temperatura del vino en fermentacin y no se volatilizan los teres, eliminndose los gases que se producen. Centros comerciales Ambientemuyconfortableparaclientesydependientes.Lasverduras,frutasuotros alimentosmantienenunabuenaconservacin.Desaparicindeoloreseinsectos.Los muebles de madera no sufren alteraciones de ningn tipo. Componentes electrnicos y ordenadores Laelectricidadestticarepresentaunaamenazaparaloscircuitoselectrnicos modernos. Un nivel de humedad controlado mantendr las reas de trabajo sin molestas descargas de electricidad esttica. Discotecas Temperaturas confortables con eliminacin rpida y constante de humos y olores. 41 Captulo 3: Diseo 3.1 DIAGNSTICO DEL TNEL DE AIRE MULTIPROPSITO Para realizar el diagnstico del Tnel de Aire Multipropsito, en primer lugar se va a detallar los componentes de los cualesest conformado el tnel, a continuacin se va a realizar el anlisis de funcionamientodeloselementosqueserutilizaraneneldesarrollodelproyectodegradoy finalmente se realizar un estudio del estado actual de los componentes que se utilizaran. 3.1.1 COMPONENTES Tabla 3.1 Componentes del Tnel de Aire Multipropsito NmeroComponente 1Ventilador (centrfugo o axial de tornillo) 2 aConducto de salida 2 bConducto de salida 3Conducto de entrada 4Seccin del conducto para pruebas 5Seccin de entrada de aire 6Malla alineadora de flujo 7Estacin de medida de temperatura 8Medicin de presin (tubo Pitot) 9Estacin de medida de temperatura 10Mesa soporte 42 Figura 3.1 Componentes del Tnel de Aire Multipropsito El tnel de aire multipropsito est conformado por varias unidades las cuales cumplen una funcin especficapararealizardistintasprcticasdelaboratoriodetermodinmica,refrigeracinyaire acondicionado. Estas unidades son: 43 Tabla 3.2 Unidades del tnel de aire multipropsito UnidadDescripcin TD.30Banco de refrigeracin. TD.36Banco de transferencia de calor. TD.44aUnidad condensadora con R12. TD.49aElemento de transferencia de calor de tubos lisos de cobre delquido-aire. TD.49bElementodetransferenciadecalordetuboscorrugadosde cobre delquido - aire. TD.49cElementodeenfriamientoporexpansindirectadeR12de lquido-aire. TD.49dMallas de resistencia de medicin de temperatura. TD.49eMesa soporte con ruedas. TD.49fVentilador (tornillo axial y centrfugo) TD.49gElemento elctrico de recalentamiento de aire. TD.49hUnidad condensadora hermtico de R12. Fuente: Manual del tnel multipropsito (TECQUIPMENT). 3.1.2 ANLISIS DE FUNCIONAMIENTO El tnel de aire multipropsito es un equipo de Laboratorio de Termodinmica utilizado para realizar prcticas de: refrigeracin, termodinmica y aire acondicionado. Elprincipiodefuncionamientodeltnelmultipropsitoeshacercircularunacorrientedeairepor medio de los ventiladores centrfugo y axial de tornillo, a travs de diferentes conductos a los cuales se les conecta las unidades de acuerdo a la prctica de laboratorio que se desee desarrollar. Pormediodelosventiladoressepuedecontrolarelcaudaldelflujodeairelocualserunfactor importante para el diseo del mdulo. En los diferentes componentes se puede realizar mediciones de diferentes variables como son: temperaturas, presiones y caudal.44 Paraeldesarrollodelproyectodegrado,sevanautilizarlassiguientesunidades:TD.49e(Mesa soporte con ruedas) y la unidad TD.49f (Ventilador de tornillo axial). La descripcin de cada una de ellas se detalla a continuacin: TD.49e:lamesasoporteestconstruidaenbasedeunaestructurametlicaconperfil cuadrado de acero. La mesa soporta al tnel de aire con una base de madera. En la parte inferiordelamesa,seencuentraunestanteelcualpuedeserutilizadoparacolocar distintos elementos. La mesa posee cuatro ruedas que permiten el movimiento de la misma, y tiene cuatro tornillos de nivel por medio de los cuales se puede mantener fija y nivelada a la mesa. TD.49f:eltneldeairemultipropsitotiene2tiposdeventiladoresdistintos,parael desarrollo del proyecto de grado se utilizar el ventilador centrfugo: -Ventiladorcentrfugo:Elventiladorcentrfugoestdiseadoeneltneldeaire multipropsito para absorber aire y descargarlo a la atmsfera. La apertura de descarga de aire del ventilador tiene una placa deslizante, la cual permite controlar el flujo de aire desalidadelventilador.Elventiladorposeeunaaperturadedescargade90mm.x 90mm. y un dimetro de 20mm. para la succin. El ventilador es de tipo SC 5A con un motor 220/240 V., 1 fase, 50 Hz, 4.5 Amp. La velocidad del motor es de 2850 rpm. El ventilador puede suministrar una velocidad mxima de 7 m/s, un caudal estimado de 900 m3/h (529.72cfm) a 1.244 KPa (5 plg de columna de agua). Figura 3.2Caractersticas de salida de aire del ventilador centrfugo. 45 3.1.3 ESTADO ACTUAL Todos funcionan correctamente 3.2 DISEO TRMICO 3.2.1 ESTNDARES El aire que pasa por un lavador puede sufrir las siguientes transformaciones: enfriamiento sensible, enfriamiento y humidificacin, enfriamiento y deshumidificacin, recalentamiento y humectacin. Slo se podr tener enfriamiento sensible si la temperatura media del agua pulverizada es igual al puntoderocodelaire.Lasdistintastransformacionesestndeterminadaseneldiagramadela figura 3.4. Las rectas de evolucin correspondientes se dirigen hacia la curva de saturacin, lo que es evidente, porque el aire debe salir saturado o prximo a la saturacin. Paraeldesarrollodelproyecto,sevanautilizarlasNormasASHRAEparaenfriamientopor evaporacin. 3.2.1.1 Normas ASHRAE para enfriamiento por evaporacin. La evolucin del aire en el caso de enfriamiento por evaporacin, est representado por la curva 1-2.Estatransformacintienelugarpordefinicin,cuandoelsistemaformadoporellavadorno intercambiacalorconelexterior(sedesprecianlasgananciasdecalordebidasalabombade circulacin y a las transmisiones a travs de las paredes del recipiente). Estacurva, en el diagrama psicromtrico,prcticamenteseconfundeconlacurvadetemperatura,humedadconstanteque pasaporelpuntorepresentativodelairealaentrada.Latemperaturadelairepulverizada permanece constante e igual a esta temperatura de bulbo hmedo. Unaaplicacindeenfriamientomedianteevaporacineslaeliminacin simultneadecalorsensiblemediantelaadicindeairehmedo(recta1-2, figura3.3).Latemperaturadelaguapulverizadapermanece,enrgimen permanente, esencialmente constante e igual a la temperatura de bulbo hmedo del aire. Se trata de una trasformacin adiabtica. 46 Este sistema se utiliza, generalmente en aquellas instalacionesen las cuales se quiere controlar la humedad relativa del local, pero manteniendo la temperatura de bulbo seco por encima de un cierto valor mnimo. Fuente: Carrier Figura 3.3 Procesos de Pulverizacin Elenfriamientoporevaporacinpuedeutilizarseeninstalacionesindustriales, donde lo nico que importa es mantener el estado hidromtrico constante, o en aquellas regiones al ser el clima demasiado seco, se puede conseguir un cierto confort porelsolohechodequitar alaire unaciertacantidad decalorsensible bastante importante19.

19 CARRIER COMPANY, Manual de Aire Acondicionado, Pgs. 129-131. 47 3.2.2 VARIABLES TRMICAS Paraeldiseodelmduloparaenfriamientoevaporativoporceldashmedas,sevanautilizar diferentes variables trmicas, las cuales son consideradas variables de la carta psicromtrica. Las variables trmicas que vamos a utilizar son: Temperatura de bulbo seco (Tbs) Temperatura de bulbo hmedo (Tbh) Temperatura de roco (Tr) Humedad especfica () Humedad relativa () Entalpa (h) Volumen especfico (v) Factor de calor sensible (SHF) Factor de calor sensible del local (RSHF) Para efectos de clculo para el diseo trmico, se tomaron los datos de las variables trmicas en el laboratorio, los valores de las variables se presentan a continuacin: Tabla 3.3 Variables Trmicas del Aire Variables Trmicas del Aire NombreSmboloValor Sist. InglsUnidades Valor SIUnidades Temperatura de entrada bulbo secoTbse68F20C Temperatura de entrada bulbo hmedoTbhe59F15C Temperatura de rocoTr52,2F11,22C Humedad Especfica0,0118lbm/lbm0,0118Kgm/Kgm Humedad Relativa0,57N/A0,57N/A Presin de saturacinpg0,3632psi2,504Kpas Presin Atmosfrica (ESPE)p10,44psi71,98Kpas Volumen especficove19,35ft^3/lbm1,205m^3/Kgm Tabla 3.4 Variables Trmicas del Agua Variables Trmicas del Agua NombreSmbolo Valor Sist. InglsUnidades Valor SIUnidades Temperatura de entrada Tiag62,6F17C Entalpa de entradahiag30,683BTU/lbm71,22KJ/Kg Presin Atmosfrica (ESPE)p10,44psi71,98Kpas 48 3.2.3 CARGAS TRMICAS Debidoaefectosyalaubicacindelmdulodeenfriamientoevaporativoenellaboratoriode termodinmica, y para efectos de diseo, se van a considerar un solotipo de cargas trmicas, las cuales son: Carga trmica de Iluminacin (dosfocos ubicados en el interior del mdulo) La suma de la carga trmica de iluminacin, nos dar la carga trmica total, correspondiente al calor sensible producido por el equipo. 3.2.3.1 Carga trmica de iluminacin Elalumbradoconstituyeunafuentedecalorsensible.Estecalorseemiteporradiacin, conveccinyconduccin,unporcentajedelcaloremitidoporradiacinesabsorbidoporlos materiales que rodean el local, pudiendo tambin producirse estratificacin del calor emitido por conveccin. Laslmparasdeincandescenciatransformanenluz un10%delaenergaabsorbida, mientras queelrestosetransformaencalorquesedisipaporradiacin,conveccinyconduccin.Un 80%delapotenciaabsorbidasedisipaporradiacin,ysoloel10%restanteporconvecciny conduccin. Los tubos fluorescentes transforman un 25% de la energa absorbida en luz, mientras que otro 25%sedisipaporradiacinhacia lasparedesquerodeanallocal,yelrestoporconducciny conveccin.Debetenerseencuenta,adems,elcaloremitidoporlareactanciaoresistencia limitadora, que representa un 25% de la energa absorbida por la lmpara. N Pot Qilu = 86 . 0 (3.1) Donde: Pot = potencia til en Watt. N = Nmero de focos. 49 Paraeldiseodelmduloevaporativo,seimpusounacargatrmicadeiluminacin correspondiente a dos focos tipo incandescentes. Cada foco tiene una potencia de 50 Watt. 3.2.3.2 Clculo de calor sensible por iluminacin 2 86 . 0 50 = Watt Qilu hBTUWatt Qilu44 . 293 86 = =TSH = Qilu 3.2.3.3 TRANSFERENCIA DE CALOR Conveccin Laconveccineselmecanismotransferenciadecaloratravsdeunfluidoconmovimiento masivodeste.Elflujodecalorporconveccinocurrecuandounfluidoconvelocidadvy temperaturaT,fluyesobreunasuperficiedeformaarbitrariaydereaAS.Sesuponequela superficieestaunatemperaturauniformeTS,ysiTS T.El flujolocaldecalorqseexpresa como: ) ( " = T T h qs(3.2) Donde: h = coeficiente de conveccin local. La conveccin se clasifica en natural y forzada. En la conveccin forzada se obliga al fluido a fluir mediantemediosexternos,comounventiladorounabomba.Enlaconveccinnaturalel movimientodelfluidoesdebidoacausasnaturales,comoelefectodeflotacin,elcualse manifiesta con la subida del fluido caliente y el descenso del fluido fro. Como las condiciones de flujo varan de punto a punto sobre la superficie, q y h, tambin varan a lo largo de la superficie. La transferencia total de calor q se obtiene integrando el flujo local sobre toda la superficie.Definiendo un coeficiente de conveccin promediohpara toda la superficie, el calor total transferido se expresa como: ) ( = T T As h qs(3.3) 50 La velocidad de transferencia de calor a travs de un fluido es mucho mayor por conveccin que por conduccin. Cuanto mayor es la velocidad del fluido mayor es la velocidad de transferencia de calor. La transferencia de calor por conveccin depende de las propiedades del fluido, de la superficie encontactoconelfluidoydeltipodeflujo.Entrelaspropiedadesdelfluidoseencuentran:la viscosidad dinmica m, laconductividad trmica k, la densidad r. Tambin se podra considerar quedependedelaviscosidadcinemtican,puestoquen=m/r.Entrelaspropiedadesdela superficiequeintervienenenlaconveccinestnlageometraylaaspereza.Eltipodeflujo, laminar o turbulento, tambin influye en la velocidad de transferencia de calor por conveccin20. Nmeros adimensionales Nmero de Reynolds ElnmerodeReynoldsrepresentalarelacinqueexisteentrelasfuerzasdeinerciaylas fuerzas viscosas que actan sobre un elemento de volumen de un fluido. Es un indicativo del tipo de flujo del fluido, laminar o turbulento. Lc UfvLc UfTNRinercia de Fuerzas == = Re (3.4) Donde: Uf =velocidad del flujo del fluido a una distancia lo suficientemente alejada de la superficie. Lc = longitud caracterstica. V = es la viscosidad cinemtica. UnvalorgrandedelnmerodeReynoldsindicargimenturbulento. UnvalorpequeodelnmerodeReynoldsindicargimenlaminar. El valor del nmero de Reynolds para el cual el flujo se vuelve turbulento es el nmero crtico de

20 INCROPERA, Frank P.; DEWITT, David P., Fundamentos de transferencia de calor, Pgs. 284-286. 51 Reynolds.Estevalorcrticoesdiferenteparalasdiferentesconfiguracionesgeomtricas.Para unaplacaplanaRecrtico=5E5.Para tubos: si Re < 2300 el flujo es laminar. Si 2300 < Re < 10000 el flujo es de transicin. Si Re > 10000 el flujo es turbulento. Nmero de Prandtl ElnmerodePrandtlrepresentalarelacinqueexisteentreladifusividadmoleculardela cantidad de movimiento y la difusividad molecular del calor o entre el espesor de la capa lmite de velocidad y la capa lmite trmica: kCp vcalor del molecular d Difusividamovimiento de cantidad la de molecular d Difusivida = = =oPr (3.5) Donde:Cp = calor especfico del fluido (KJ/KgK) = viscosidad dinmica (N*s/m2)k = coeficiente de conduccin trmica (W/mK) v= viscosidad cintica (m2/s)o =coeficiente de difusividad trmica (m2/s). El nmero de Prandtl va desde menos de 0.01 para los metales lquidos hasta ms de 100.000 paralosaceitespesados.ElnmerodePresdelordende10paraelagua.Losvaloresdel nmero de Prandtl para los gases son de alrededor de 1, lo que indica que tanto la cantidad de movimiento como de calor sedifunden por el fluido a una velocidad similar. El calor se difunde con mucha rapidez en los metales lquidos (Pr > 1) en relacin con la cantidad de movimiento. Esto indica que la capa lmite trmica es mucho ms gruesa para los metales lquidos y mucho ms delgada para los aceites, en relacin con la capa lmite de velocidad. Cuanto ms gruesa sea la capa lmite trmica con mayor rapidez se difundir el calor en el fluido. Nmero de Nusselt El nmero de Nusselt representa la relacin que existe entre el calor transferido por conveccin a travs del fluido y el que se transferira si slo existiese conduccin. Se considera una capa de 52 fluido de espesor L con sus superficies a diferentes temperaturas T1 y T2, T1 > T2, T = T1 T2, como se muestra en la figura: Figura 3.4Conveccin El flujo de calor debido a la conveccin ser: NukL hLTkT hqqcondconv==AA =(3.6) Para flujo turbulento: 3154Pr Re 024 . 0 = =kx hNuxx;Pr > 0.6 (3.7) Evaporacin Coeficiente de conveccin de masa hm 3 / 2Le Cphhma a =(3.8) Donde: h = Coeficiente de conveccin (W/m2 K) a = Densidad del aire (Kg/m3) Cpa = Calor especfico del aire (J/KgK) Le = factor de conveccin de masa 53 Diferencia media logartmica de humedad DMLW ((((((

||.|

\| =ioo s i sWm WsWm WsWm W Wm WDMLWln) ( ) ((3.9) Donde: Ws = Humedad absoluta de la superficieWmi = Humedad absoluta media del aire a la entrada Wmo = Humedad absoluta media del aire a la salida Masa de transferencia unitaria aAp DMLW hm Munit = 2 (3.10) Masa totalN Munit Mtot = (3.11) Donde: N = Nmero de placas Calor de evaporacin Mtot h Qevapfg = (3.12) Donde: hfg = entalpa de evaporacin del agua (J/Kg) Clculo de Transferencia de calor rea de Transferencia de calor de la celda Para determinar el rea de transferencia de calor, se dibuj con precisin las celdas de 45 y de 15 en Solidworks, para luego por medio del software poder calcular el rea de transferencia de cadacelda.Acontinuacinsepresentaelgrficodecadaceldayelreaobtenidade transferencia: 54 Figura 3.5 Placa de 45 Figura 3.6 Placa de 45 Figura 3.7 Placa de 45 El rea de transferencia de calor de la placa de 45 es de: 0.05184378 m2., y existe un total de 26 placas de 45 en la celda, por lo tanto, se tiene una rea total de 1.348 m2. 55 Figura 3.8 Placa de 15 Figura 3.9 Placa de 15 Figura 3.10 Placa de 15 56 El rea de transferencia de calor de la placa de 15 es de: 0.05184428 m2., y existe un total de 26 placas de 45 en la celda, por lo tanto, tenemos un rea total de 1.348 m2. El rea total de transferencia de calor sumando el rea de las celdas de 45 y 15 es de 2.696 m2 (clculos ANEXO D). Transferencia de calor por conveccin Para el clculo de