Acondicionamiento de Aire Conceptos Bsicos

Acondicionamiento de Aire Conceptos Bsicos

Acondicionamiento de Aire Conceptos Bsicos - 1ra ed.Publicado Mar. 2007 MITSUBISHI ELECTRIC CORPORATION Training Center of Sales & Engineering Living Environment Engineering

PREFACIO Acondicionamiento de Aire Conceptos BsicosEl objeto de este libro es proveer a aquellos que ingresan en el campo de la Calefaccin, Ventilacin, y Acondicionamiento de Aire (HVAC) en pases fuera de Japn el conocimiento bsico en acondicionamiento de aire. Este libro es una versin en Espaol de un extracto del libro de texto usado en el curso introductorio de ventas de acondicionamiento de aire e ingeniera que es ofrecido por Mitsubishi Electric en Japn y principalmente cubre los aspectos tericos del HVAC. Se espera que este libro de texto sirva como base en la cual los lectores puedan construir un conocimiento futuro y experiencia en el campo del HVAC.

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CONTENIDO Acondicionamiento de Aire - Conceptos Bsicos1. Acondicionamiento de aire 1.1 Acondicionamiento de Aire y Entorno de Habitacin 1.2 Entorno Trmico dentro de la habitacin 1.3 Calidad de Aire interior 1.4 Ventilacin y Acondicionamiento de Aire 2. Delineado del Equipamiento de Acondicionamiento de Aire 2.1 Carga de Trabajo y Equipamiento Esencial para Acondicionamiento de Aire 2.2 Clasificacin de Sistemas de Acondicionamiento de Aire 2.3 Ventilacin y Recuperacin de Calor 1 1 1 2 3 6 6 14 15 15 15 18 20 23 26 27 29 32 32 34 35 36 40 48 48 48 49 50 52 57 63 63 64 65 65 69 72 74

3. Diagrama h-x (Grfico psicromtrico) 3.1 Propiedades del Aire 3.2 Humedad del Aire 3.3 Sistema de Acondicionamiento de Aire y Diagrama h-x 3.4 Terminologa y Cmo Leer un grfico psicromtrico h-x 3.5 Clculos bsicos de un Diagrama h-x 3.6 Temperatura de Provisin de Aire de Acondicionamiento de Aire 3.7 Verificacin BF de los Items de Referencia 3.8 Mtodo de clculo de Humidificacin 4. Clculos de Carga de Acondicionamiento de Aire y Seleccin de Modelo 4.1 Vista General de Seleccin de Sistema Acondicionador de Aire 4.2 Concepto de Carga Interior 4.3 Tipos de Clculo de Cargas 4.4 Clculo de Carga de Calefaccin Simple y Calor de Refrigeracin 4.5 Seleccin de Modelo 5. Principios de Refrigeracin 5.1 Calefaccin y Refrigeracin 5.2 Introduccin a Refrigeracin 5.3 Refrigeracin y Refrigerantes 5.4 Ciclo de Refrigeracin 5.5 Trminos y Unidades 5.6 Calor y transferencia de calor 6. Sistema de Refrigeracin 6.1 Sistema de Refrigeracin de Compresin de Vapor 6.2 Sistema de Refrigeracin de Absorsin 7. Configuracin del Diagrama p-h y Clculos del Ciclo de Refrigeracin 7.1 Configuracin del Diagrama p-h 7.3 Clculos del Ciclo de Refrigeracin 7.4 Cambios en el Ciclo de Refrigeracin 7.5 Mezclas de Refrigerante y Anticongelante/agua

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8. Compresor B.1 Accin y Rol del Compresor 8.3 Tipos de Construccin del Compresor 8.4 Compresores semi hermticos 8.5 Compresores Rotativos 8.6 Compresor Scroll 8.7 Compresor Tornillo 8.8 Compresor Centrfugo 8,9 Rendimiento del Compresor 9. Condensador 9.1 Rol del Condensador 9.2 Energa de Calefaccin de la Condensacin y su Transferencia 9.3 Tipos de Condensador y Construccin 9.4 Torre de Enfriamiento 10. Evaporador 10.1 Rol del Evaporador 10.2 Calor y Evaporacin y su Transferencia 10.2 Utilizando el Calor de la Evaporacin 11. Vlvula de Expansin 11.1 Accin y Rol de la Vlvula de Expansin 11.2 Vlvula de Expansin y Tasa de Flujo de Refrigerante 11.3 Vlvula de Expansin Termosttica Automtica 11.4 Vlvula de Expansin Electrnica Lineal 11.5 Tubo Capilar

86 86 87 88 89 90 91 93 94 96 95 95 96 98 100 100 100 101 102 102 103 103 103

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1. Acondicionamiento de aireEl acondicionamiento de aire consiste en ajustar la calidad del aire para mantener confortable el entorno del ambiente. El acondicionamiento de aire especialmente mejora el entorno trmico dentro de la habitacin, el cual es uno de los factores que afectan al confort del ambiente. La temperatura, humedad, flujo de aire y purificacin del aire solan ser los cuatro factores del acondicionamiento de aire. Sin embargo, hoy en da se espera que estas funciones de acondicionamiento de aire cubran ms aspectos, de acuerdo al anlisis del entorno del edificio. Por lo tanto, otros factores tales como sonido ambiente, entorno e iluminacin pueden ser agregados a estos cuatro factores.

Clasifiquemos el acondicionamiento de aire general. El acondicionamiento de aire en el campo de confort humano puede llamarse Acondicionamiento de Aire de Cuidado de Salud, y el acondicionamiento de aire en el campo industrial puede ser llamado Acondicionamiento de Aire Industrial.

Acondiconamiento de aire ptimo Acondicionamiento de Aire de Cuidado de Salud

Acondicionamiento de aire de espacio de trabajo Acondicionamiento de aire industrial

Acondicionamiento de aire de proceso industrial

1.2 Entorno Trmico dentro de la habitacinLos entornos trmicos interiores (climas de habitaciones) son muy importantes para la salud y confort de los seres humanos. El criterio de confort depende de la edad, condicin de salud y hbitos personales o preferencias personales en donde algunos prefieren el calor y otros el fro. Es deseable crear situaciones trmicas de ahorro de energia que sean confortables para la mayora de la gente. La temperatura que sentimos es determinada por la temperatura del aire, la humedad, la velocidad del aire y la radiacin trmica. Estos cuatro elementos son llamados elementos trmicos. Generalmente, la temperatura es medida en grados Celsius y la humedad es expresada en humedad relativa. La velocidad del aire es expresada como velocidad del aire por segundo en unidades de m/s. La temperatura de radiacin es expresada en forma de temperatura radiante (MRT). Es importante de tener en cuenta que los elementos del entorno trmico estn influenciados no slo por los factores de los acondicionadores de aire sino tambin por las actividades y condiciones de vestimenta de la gente.

1.1 Acondicionamiento de Aire y Entornos AmbientesLos factores de entorno que afectan al confort ambiente son bsicamente seleccionados para los cuatro escenarios del ser humano. Estos factores son generalmente clasificados del siguiente modo: entorno trmico, entorno de aire, entorno sonro y entorno luminoso, Sin embargo, los factores psicolgicos y fisiolgicos, funcionalidad y muchos otros factores tambin debern ser considerados a fin de mejorar el confort ambiente. El acondicionamiento de aire es muy importante adems de los factores que afectan al confort ambiente. A pesar de que la historia del acondicionamiento de aire es vieja, la historia del acondicionamiento de aire moderno es relativamente nueva. El acondicionamiento de aire est en el campo tcnico en el cual an hay espacio para mejoras. Dado que la cultura y tecnologa han avanzado, una de las metas del acondicionamiento de aire ha cambiado para crear el entorno ambiente ptimo para los ocupantes utilizando la mnima energa. Es importante obtener una calidad de aire que dae lo menos posible a humanos, especialmente cuando ocurre contaminacin ambiental. Se espera que el desarrrollo de la tecnologa de acondicionamiento de aire cree entornos ptimos para diversos propsitos. Desde el punto de vista funcional, se requiere mejorar la seguridad y funcionalidad para humanos y para los elementos en el campo de la industria.

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Tabla 1.1 Valor estndar de la condicin ambiente y mantenimiento edilicio (Ishino) de acuerdo al Manual SHASE (La Sociedad de Ingenieros de Calefaccin, Acondicionamiento de Aire y Sanidad de Japn)

Verano*Edificio (oficina, residencia, etc.) Edificio comercial (banco, tienda departamental, etc.) Edificio industrial (fbrica, etc.) Mantenimiento edilicio **

Invierno 22C, 50% 21C, 50% (20-22 C) (40-50%) (20-22 C) (40-50%) (18-20 C) (40-50%)

26C, 50% 27C, 50%

(25-27 C) (50-60%) (26-27 C) (50-60%) (27-29 C) (50-65%)

28C, 50%

20C, 50%

La cantidad de partculas aereas es 0,15mg/m3 o menor, CO2 1000ppm o menor, CO 10ppm o menos, Temperatura 17-28C, Humedad 40-70%, Flujo de aire 0,5m/s o menos, Cantidad de formaldehido 0,1mg/m3 o menor.

Notas: * La media de los valores en verano e invierno es sugerida para ser usada para estaciones intermedias. ** Accin para Mantenimiento de Saneamiento en Edificios ( ) muestra el rango aplicable de temperatura y humedad.

Dado que el acondicionamiento de aire no tiene condiciones estndar, la preconfiguracin de temperaturas para acondicionamiento de aire se recomienda generalmente como se indica a continuacin: 26C temperatura de bulbo seco y 55% de humedad relativa en verano, 23C temperatura de bulbo seco interior y 45% de humedad relativa en invierno en Japn. Las siguientes temperaturas son sugeridas para ahorro de energa: 28C temperatura de bulbo seco y 50% de humedad relativa en el verano y 18C temperatura de bulbo seco interior y 40% de humedad relativa en el invierno. Sin embargo, las siguientes temperaturas son adoptadas para el diseo de acondicionamiento de aire: 26C temperatura de bulbo seco y 50% de humedad relativa en refrigeracin y 22C temperatura de bulbo seco interior y 50% de humedad relativa en calefaccin en Japn. Es importante que la meta del acondicionamiento de aire es ajustar los entornos ambientes para alcanzar los propsitos de acondicionamiento de aire, por lo tanto el criterio que muestren los usuarios del acondicionador de aire tienen la mxima prioridad. Es importante estar advertido, sin embargo, que el promedio de los usuarios no tienen conocimiento tcnico y que simplemente alcanzar sus necesidades o deseos puede terminar comprometiendo la eficiencia del acondicionamiento de aire.

1.3 Calidad del Aire Interior

La calidad del Aire Interior se refiere ms a la purificacin del aire interior que a los entornos trmicos. Es abreviado como IAQ. En Japn, la Ley Norma de Construccin y Mantenimiento de Edificios del Estndar de Sanidad Ambiental especifica: Cantidad de partculas en aire 0,15mg o menos por m3 de aire CO 10ppm o menos CO2 1000ppm o menos Temperatura 17C mn. 28C mx. Humedad 40-70% Flujo de aire 0,5m/s o menos Cantidad de formaldehido 0,1mg o menos por m3 de aire En realidad, el estndar de arriba es muy vago para los ingenieros de acondicionamiento de aire. La instalacin de acondicionadores de aire no debe ser asumida en el estndar. La siguiente explicacin es una parte ms lgica del IAQ. Cuando una persona est en una habitacin cerrada, la respiracin contamina el aire ambiente, an si no hay otra fuente de contaminantes. El polvo de la ropa puede ser una fuente de contaminacin. Una persona respira aproximadamente 0,3 m3 por hora y exhala 0,012 m3 de dixido de carbono. Los valores varan considerablemente con la actividad humana.

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La polucin en el ambiente aumenta cuando hay una estufa, o an ms cuando una persona est fumando en el ambiente. Es necesario entender que la ventilacin o corriente es esencial para IAQ independientemente de la relacin trmica. El monxido de carbono afecta en forma adversa a la salud humana; sin embargo, el dixido de carbono no lo afecta demasiado. El aire contiene 300ppm de CO2 y la concentracin de CO2 est incluida en el estndar IAQ como un indicador para verificar el grado de polucin del aire interior. La concentracin de CO2 aumenta a medida que el aire interior se contamina. Con una concentracin de CO2 es 1000ppm (0,1%), daa los organos circulatorios y el cerebro. Los acondicionadores de aire necesitan ser diseados para cumplir el estndar IAQ en nuestras futuras sociedades de alta tecnologa. El olor es otro indicador de la polucin del aire interior adems de las concentraciones de polucin de aire. El olor corporal es fsicamente inofensivo, sin embargo es desagradable. El olor a medicamentos que da la sensacin de estar en un hospital puede resultar molesto. Hay un montn de problemas a resolverse, tales como eliminar las bacterias y tratar con substancias txicas a fin de mantener el IAQ.

La cantidad de ventilacin requerida por persona ha sido determinada como 20m3/h por el Estndar de Construccin y es generlamente tenido en cuenta. Sin embargo, para evitar la polucin del aire, se requiere entender la distribucin de aire y otros conocimientos relacionados. [Mtodo usando el espacio ocupado por persona] Cantidad de 20 m3/h superficie de la habitacin (m2) = ventilacin superficie ocupada por persona (m2) requerida (m3/h) (1)

1.4 Ventilacin y Acondicionamiento de AireLa ventilacin es un elemento esencial del acondicionamiento de aire, sin embargo, la ventilacin tiene funciones diferentes del acondicionamiento de aire. El acondicionamiento de aire ha puesto nfasis en el entorno trmico dentro de la habitacin, sin embargo, la ventilacin es esencial an cuando el acondicionamiento de aire no es utilizado. (entre verano e invierno). El volumen de aire que es necesario para controlar el entorno trmico dentro de una habitacin no es el mismo que el volumen de aire de retorno para mantener el entorno de aire de la habitacin. En ventilacin, es necesario calcular que volumen de ventilacin es requerido de acuerdo a cuanto aire debera ser purificado y la concentracin permisible de contaminantes.

Ejemplo de un caso de una habitacin o espacio comercial en dnde habitualmente hay o circula gente: Nota: La ecuacin de arriba est basada en el segundo y tercer prrafo de la seccin 20-2 y de la seccin 22-3. (Notas) 1. El nmero "20" en la ecuacin de arriba significa 20m3/h (por persona). Este nmero est basado en la emisin de CO2 que produce una persona que est sentada y quieta. 2. En una habitacin en dnde hay o circula gente habitualmente, si el espacio es superior a 10 (m2), igualmente se considera de 10 (m2) para el clculo de la ventilacin. [Ejemplo 1] Calcular la cantidad de ventilacin requerida para una oficina: Superficie de la oficina: 130m2, Cantidad de gente ocupando la oficina: 30 Cantidad de = 20 m3/h 130 m2 = 600 m3/h ventilacin 130 m2 requerida 30

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Tabla 1.2 Ejemplos de espacios ocupados por persona para el estndar de ventilacin en reas comerciales

Uso de construccinAuditorio/Hall de entradaTeatro/Cine/ Sala de entretenimiento Gimnasio

Cantidad de personas calculadaOcupacin mxima Ocupacin mxima Ocupacin mxima

Espacio por persona (m2/persona)0,5-1

Observaciones

0,5-1 0,5-1 10 2-3

Hotel/MotelAlojamiento comn/ Campo de entrenamiento

Residencia para jvenes Hospital/Sanatorio Clnica/Depsito/MercadoRestaurante de alta categora Depsito departamental

Ocupacin mxima

4-5 5 3 3 2 3 2 2 2 Espacio de piso para uso comercial Espacio de piso para uso comercial Espacio de piso para uso comercial Espacio de piso para uso comercial Espacio de piso de la habitacin en donde normalmente est o usa la gente Espacio de piso para uso comercial Espacio de piso de la habitacin en donde normalmente est o usa la gente

Restaurante/Cafe BarNatatorio/Sala de danzas

Club de tiempo libreCentro de cuidado diario/ Jardn de infantes/ Escuela primaria Escuela secundaria/ Escuela superior/Colegio Varios tipos de escuelas Biblioteca Oficina/Oficina de edificio inteligente Fbrica/Sala de control Fuerza de trabajo Ocupacin mxima Ocupacin mxima

Ocupacin mxima Ocupacin mxima

3 5 8-10 Espacio de piso de la oficina

Instituto de investigacin/ Laboratorio Bao pblico Spa/Sauna Corredor Hall Lavatorio Bao Sala de bateras Garage

4-5 5 10 3-5 30m3/h por 1m2 10m3/h por 1m2 35m3/h por 1m2 25m3/h por 1m2

Espacio de piso de vestidor Espacio de piso para uso comercial (Ejemplo: Acondicionamiento de aire)

*1

*1 Se indica la cantidad de renovacin de aire por hora para cada tipo de local.

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La Tabla 1.2 puede ser aplicada para los edificios convencionales que tienen muchas corrientes de aire o en los lugares en donde la gente entra y sale frecuentemente. Se requerir ms ventilacin para los edificios que fueron recientemente sellados o construcciones hermticas.

La tarea y cantidad requerida de ventilacin en el manual de acondicionamiento de aire es como se indica a continuacin. En el futuro, la cantidad requerida de ventilacin ser incrementada; por lo tanto, la recuperacin de calor es el punto a resolver para ahorro de energa.0,1%=1000ppm

Tabla 1.3 Tareas y cantidad requerida de ventilacin

Cantidad requerida de ventilacin [m3/h por persona] Cantidad calculada Tarea de emisin de CO2 Concentracin permitida Concentracin permitida Concentracin permitida Concentracin permitida [m3/h por persona] de CO2 0,15% de CO2 0,20% de CO2 0,10% de CO2 0,50% Durante descanso 2,8 7,6 10,8 0,013 18,6 Tarea muy liviana 4,7 12,9 18,3 0,022 31,4 Tarea liviana 6,4 17,6 25,0 0,030 43,0 Tarea mediana 9,8 27,1 38,3 0,046 65,7 Tarea pesada 15,8 43,7 61,7 0,074 106La cantidad de ventilacin requerida [Q] es calculada con la siguiente frmula. 100M Q= k-k0 Q Cantidad requerida de ventilacin [m3/h por persona] M Cantidad de emisin de CO2 [m3/h por persona] (Refirase a la tabla de arriba) k Concentracin de CO2 interior admisible (%) k0 Concentracin exterior de CO2 (El valor en la tabla de arriba es calculado con k0=0,03% [composicin estndar atmosfrica]. En el centro de las ciudades o reas industriales, k0=0,06% k=0.1% El valor de regulacin en los edificios en los cuales se aplica mantenimiento y las habitaciones que requieren una ventilacin especial de acuerdo con la Ley de Edificacin Estndar. k=0,5% El valor de regulacin en las habitaciones en las cuales se aplica la Ordenanza de Estndares de Salud para Actos de Trabajo Estndar.

Tabla 1.4 Cantidad de ventilacin requerida considerando fumadores,y la cantidad de fumadores para ello.

Fumadores

AplicacinOficina de comisionista/ Sala de edicin de diarios/ Sala de reuniones Bar/Oficina/ Habitacin de Hotel

Cantidad requerida de ventilacin Cantidad de fumadores*1 [m3/h por persona] [cantidad de cigarrillos/h El valor mnimo por persona] El valor sugerido

Siempre Usualmente A menudo A veces

51-85 42-51 20-26 13-17

3-5.1*2 (1.5-2,5)*3 2,5-3*2 (1,3-1,5)*3 1,2-1,6*2 (0,6-0,8)*3 0,8-1,0*2 (0,4-0,5)*3

Restaurante/Oficina Sala de negocios de Banco/ Oficina/Almacn

Notas: *1 La masa del cigarrillo es asumida como 980mg. Asumimos que el 60% de ella es consumida y el resto no se utiliza. *2 De acuerdo a P.F. Halfpenny, cuando el volumen de ventilacin es mantenido como el valor de la columna de la izquierda, la concentracin de contaminantes por fumar y la cantidad de cigarrillos deber ser 35,3mg/m3 y el valor de *2 respectivamente o menor a fin de mantener la intensidad de olor de cigarrillo como 2. *3 Para mantener la intensidad de olor de cigarrillo como 1, la concentracin de contaminante por fumar y la cantidad de cigarrillos deber ser 17,7mg/m3 y el valor de *3 respectivamente o menor.5

2. Delineado del Equipamiento Acondicionador de AireSe puede considerar que el acondicionador de aire est dividido, en lneas generales, en varios procesos. Uno relacionado con el calor del exterior que ingresa al edificio (considerado como una carga superficial), otro relacionado con el calor que se genera en el interior del edificio y un tercer proceso relacionado a la calidad de aire que filtra el equipo. Por lo tanto, hay varios conceptos a considerar para clasificar a los acondicionadores de aire tales como equipos acondicionadores de aire interior y equipos para acondicionamiento perimetral, como as tambin conductos para acondicionamiento primario de aire y acondicionadores de aire individuales descentralizados usados para tareasespecficas. La idea general del acondicionamiento de aire es un concepto vago y hay diferentes expresiones para cada situacin. Tambien hay situaciones en las cuales el flujo de aire es controlado cuidadosamente tales como el acondicionador de aire domiciliario. Generalmente hablando, esto es examinado como una tarea de distribucin del flujo de aire y distribucin de temperatura. Los elementos del acondicionador de aire deberan ser provistos como se indica abajo. Fuente de calor Agua fra o refrigentante unidad a baja presin funcionando como un disipador, gas refrigerante a alta presin o agua caliente funcionando como fuente de calor, equipo que produce vapor. Intercambiador de Equipo que convierte calor calor de una fuente de calor a un medio de transferencia de calor, calefactor y refrigerador. Equipo de filtrado Equipo que produce aire de aire limpio. Equipo que enva Equipo de ventilacin aire hacia el exterior.

2.1 Carga de Trabajo y Equipamiento Esencial para Acondicionamiento de AireEl acondicionamiento de aire deber poder controlar los siguientes parmetros: [Entorno trmico] Temperatura Ajustar la temperatura del aire Examinar el calor Humedad Ajustar la humedad. Flujo de aire Controlar el flujo de aire alrededor de la gente. [Calidad del aire] Proveer el oxgeno requerido para respirar. Remover cualquier componente peligroso del aire. Consecuentemente, un acondicionador de aire requiere un mecanismo que permita el control exhaustivo de esos parmetros. Aunque esto significa que el volumen de aire a acondicionar sea dentro de la habitacin en dnde est presente la gente y que todos los parmetros son controlados completamente, no es neceario que todas las partes del equipo necesiten instalarse o estr fsicamente dentro del mismo espacio que utiliza la gente. Por ejemplo, a pesar de que hay situaciones en las cuales el panel radiador est instalado directamente para irradiardentro del local, hay muchos casos en las cuales el acondicionamiento se resuelve bsicamente determinando la carga de zonas interiores y zonas perimetrales y colocando los radiadores en otros ambientes adyacentes al local.

2.2 Clasificacin de los Sistemas Acondicionadores de AireSi se clasifican desde el aspecto de funcionamiento, la clasificacin de los acondicionadores de aire se divide como sigue: Un sistema centralizado en el cual el equipo fuente de calor y los acondicionadores de aire estn instalados en una sala de mquinas. Un control centralizado o un sistema individual descentralizado que permite la operacin independiente en cada habitacin con aire acondicionado. En un sistema descentralizado individual, se instalan mltiples acondicionadores de aire pequeos. Dependiendo de las diferencias en el medio de transferencia de calor dentro de la habitacin el acondicionador de aire es clasificado como un sistema de aire completo, sistema de agua-aire, sistema de agua o sistema refrigerante. Por qu hay estos diferentes tipos de sistemas acondicionadores de aire?. La razn principal puede considerarse en que hay diferencias en el rendimiento dependiendo de las cargas de aire a acondicionar. Sin embargo, el grado requerido de calidad de aire acondicionado est en comparacin con las fluctuaciones en la carga.

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A fn de proveer un sistema acondicionador de aire completo, se deben controlar los cuatro factores trmicos esenciales, como se mencion en el captulo uno. Si tomamos las fluctuaciones de carga en consideracin, debemos operar un refrigerador y calefactor al mismo tiempo. Otra razn es el hecho que, desde el punto de vista del costo, es preferible incrementar la densidad de energa tanto como sea posible y luego transferir la energa de modo de transportar el calor eficientemente. El agua, con una alta densidad, puede conservar el calor ms eficientemente que el aire que requiere una capacidad de 1m3 para 1 kg. Un refrigerante que utiliza cambios en el estado de la materia, permite que se almacene ms calor en una mucho menor capacidad. Esto tambin est relacionado al incremento de los porcentajes de ventas de los acondicionadores de aire de expansin directa, los cuales directamente evaporan refrigerante en una parte del acondicionador de aire (unidad interior) cuando estn en modo refrigeracin.

En la Fig 2.2.1, el aire de desecho se descarga al exterior a travs del ducto. Controlando el ventilador o regulador se hace posible refrigerar el aire exterior. Si un ducto est ingeniosamente diseado de esta manera, se pueden producir varios sistemas. Esto es aplicable a todos los acondicionadores de aire pero la relacin entre la cantidad de aire y la cantidad de energa calrica es como sigue: q = C V T (1)

2.2.1 Sistemas Todo Aire(sistema acondicionador de aire por conducto)

Un sistema acondicionador de aire, que utiliza un nico ducto para ventilacin para enviar aire desde el acondicionador hasta una habitacin interior, es llamado sistema de ducto simple. Un sistema acondicionador de aire que utiliza dos ductos, enva aire fro por un ducto y aire caliente por el otro ducto y es entoces llamado sistema de dos ductos. Los sistemas para controlar la temperatura ambiente incluyen un sistema de aire de volumen constante (sistema CAV o LVC) que cambia la temperatura del aire mientras mantiene un flujo constante de aire y un sistema de volumen de aire variable (sistema VAV) que permite que cambie el flujo de aire.

q : Cantidad de calor transferido W C : Calor especfico J/kg K V : Flujo de masa kg/s T : Diferencia de temperatura K Si slo una habitacin interior es acondicionada bajo condiciones idnticas, el volumen de aire y la diferencia de temperatura puede ser controlado en respuesta a la carga de acondicionamiento de aire. Sin embargo, en realidad, hay otras ramificaciones de ductos desde el conducto y distribucin de aire hacia mltiples habitaciones. Debido a esto, un VAV (regulador para volumen de aire variable) es utilizado para permitir que sea controlado el volumen de aire de cada habitacin. El equipamiento tpico y tradicional en un sistema acondicionador de aire de tipo ducto es llamado sistema centralizado de conducto simple de volumen constante de aire.Corte del edificio

Retorno de aire

Provisin de aire 3er piso

Retorno de aire

Provisin de aire 2do piso

SA (Provisin de aire)Aire exterior

Habitacin interior RA (Aire de retorno) EA

Retorno de aire

AHU(Unidad manipuladora de aire)

Provisin de aire 1er piso

OA(Aire exterior)

Stano

Acondicionador de aireNota: Los dispositivos fuentes de calor y fro, tuberas de agua caliente y fra, bmbas, y otros equipos relacionados son omitidos.

(Aire de salida)

Fig. 2.2.1 Sistema de ducto simple

Fig. 2.2.2 Sistema de control completo de ducto simple

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En este tipo de sistema se instala un equipo acondicionador de aire en una sala de mquinas y el aire acondicionado es dirigido por el conducto principal hacia cada habitacin. Los sensores de temperatura son instalados en diversas ubicaciones de los locales con aire a ser acondicionado para controlar la temperatura requerida del aire ventilado. Dado que este es un sistema completo de acondicionamiento de aire, la cantidad de ventilacin puede asegurarse en forma estable, haciendo normalmente posible asegurar la calidad del aire que ingresa a los locales. Puede haber zonas en donde las caractersticas de carga promedio varan a pesar de que hay muchos casos de gente que lo sienten muy fro o muy caliente y a veces usen un calentador o un ventilador elctrico. El hecho que la caldera y el acondicionador de aire estn instalados en una sala de mquinas requiere de especialistas que mantengan y administren los acondicionadores de aire. Este sistema fue provisto para grandes espacios tales como salas de conciertos (auditorios). La zonificacin fue difcil de lograr y las tecnologas de acondicionamiento de aire fueron desarrolladas para solucionar este problema. Actualmente, el proveer VAV como una unidad de volumen variable de aire en ubicaciones importantes de ramificaciones de conductos para poder efectuar cambios en la calidad del acondicionamiento de aire para cada zona se ha vuelto un procedimiento comn. Este tipo de sistema es llamado sistema de conducto simple de volumen variable de aire. Desde el punto de vista de los diseos interiores, un sistema de conducto tiene la imagen de un sistema de acondicionamiento de aire de alta calidad, debido a que las aperturas de las rejillas individuales pueden ser diseadas independientemente. Esto es una parte del equipamiento indispensable para facilidades en gran escala. El equipo bsico incluye un dispositivo refrigerante tal como un chiller (enfriador) y una fuente de calor de la central del edificio, una unidad conconductora de aire tal como una unidad impulsora de aire y equipamiento de conductos. Los dispositivos son fabricados de modo de distribuir aire acondicionado usando conductos de distribucin desde las unidades interiores para equipos individuales descentralizados y acondicionadores de aire domsticos.

2.2.2 Sistema de Agua(sistema fan coil)

Esta es una pieza de equipamiento provista con una serpentina de calentamiento/enfriado de agua y un ventilador. A pesar de que se asemeja a la unidad interior de un sistema refrigerante, cuando el sistema refrigerante se usa, existe la posibilidad de que el sonido del circuito de refrigerante pueda ser escuchado debido al gas que cambia de estado dentro de la unidad. Cuando se utiliza un fan coil, slo fluye agua fra o caliente dentro de la unidad haciendo por lo tanto que el ruido sea fundamentalmente inferior. Por tal motivo, es comnmente utilizado en hoteles. Sin embargo, la desventaja de una unidad fan coil es que se necesita planificar un sistema separado para ingresar el aire exterior.

Fig. 2.2.3 Unidad fan coil

2.2.3 Sistema Agua - Aire(sistema de conducto y fan coil)

El agua, con menor transmisin de fuerza que el aire, es usada principalmente. La cantidad de aire es la mnima cantidad de aire exterior requerida para ventilacin. Sistemas de agua: Alto grado de libertad para tender tuberas, pueden ser controlados individualmente. Sistemas de aire: Procesamiento simple de aire exterior. En el sistema ms popular, se utiliza un sistema de agua (unidad fan coil) para el permetro y un sistema de aire para el interior y ventilacin.

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Tanque de expansin

FL FL FL

FCU

Salida

Aire exterior

Soplador de aire Humidificador Serpentina de calefaccin Serpentina de refrigeracin Filtro de aire Bmba de circulacin

Ms an, esto tambin es un sistema de tipo de condensador remoto en el cual la unidad condensadora se ubica lejos usando tuberas de refrigerante y un acondicionador de aire comercial separadamente, tal como el Mr. Slim (nombre de proconconducto de Mitsubishi), un acondicionador de aire para uso en oficinas o almacenes en el cual la unidad compresora y la unidad condensadora estn formadas en una unidad e instaladas afuera mientras slo el evaporador es colocado dentro de las habitaciones.Panel superior Aletas de ingreso Cmara de pleno Espacio del mecanismo soplador de aire Placa del ventilador Panel posterior Soplador de aire Caja de conmutacin Paneles izquierdo/ derecho Refrigerador

Agua fra

Dispositivo de refrigeracin

Hervidor

Agua caliente

Fig. 2.2.4 Sistema de conducto y fan coil

2.2.4 Sistema refrigerante(acondicionador de aire de expansin directa)Entrada Espacio de maquinaria

Este acondicionador de aire es llamado acondicionador de aire de expansin directa. Comprime y condensa un refrigerante para formar refrigerante lquido dirigindolo directamente dentro de la habitacin y entonces acondiciona el aire de la habitacin usando un evaporador. Tambin condensa el refrigerante usando el calor de dentro de la habitacin. Los acondicionadores de aire domsticos y acondicionadores de aire comerciales para almacenes son acondicionadores de aire de expansin directa. La expansin directa es frecuentemente usada para acondicionadores de aire mltiples para edificios. La expansin directa cambia el estado del refrigerante, o visto de otro modo permite al calor transferirse como calor latente, haciendo as posible transferir una gran cantidad de energa calrica usando tuberas finas. Naturalmente, el factor de espacio del equipo puede ser mejorado, permitiendo proveer un proconducto comercial. (1) Acondicionador de aire comercial Un acondicionador de aire comercial es un acondicionador de aire bsico (por ejemplo, un sistema acondicionador de aire centralizado de conducto que utiliza una unidad de manejo de aire) en un formato comercial. Histricamente, un sistema enfriador de agua fue uno de los primeros sistemas en los que el compresor, condensador, vlvulas de expansin y evaporadores fueron alojados en una unidad y un condensador usaba el agua fra para la conduccin del calor.

Compresor Caja de control Condensador

Fig. 2.2.5 Acondicionador de aire tipo comercial comercial de agua refrigerada. (2) Clasificacin y construccin de Acondicionadores de Aire comercials Originalmente, los acondicionadores de aire usaban un sistema de conducto central, pero las cargas de acondicionamiento de aire y patrones de variacin de cargas son fundamentalmente diferentes. En particular, el entorno econmico de Japn actualmente internacionalizado ha resultado en fuertes demandas para descentralizacin individual del acondicionamiento de aire incluyendo, no slo diferencias de cargas, sino tambin diferencias en el uso de las zonas horarias. Se proveen acondicionadores de aire cuya nica funcin es acondicionar el edificio entero y hay crecientes demandas para acondicionadores de aire con un modo de operacin para cada piso y grupos de equipos que permitan acondicionar aire en pequeas zonas. Como resultado, se han desarrollado varios tipos de acondicionadores de9

Permetro

Unidad fan coil para procesamiento de la carga del permetro

conducto Corte transversal del edificio Unidad manipuladora de aire o acondicionador de aire compacto para procesamiento interior de cada piso Restaurante Este sistema tambin es llamado una unidad para cada piso (unidad manipuladora de aire)

Oficina 2 Oficina 3 1 Sala de computadora 1 Computadora 2 Acondicionador de aire compacto f para salas de computadoras 3 Acondicionador de aire compacto para salas de computadoras

Sala de negocios

Depsito subterrneo

Salas de reunin

Fig.2.2.6 Ejemplo de control de zona(a) Acondicionador de aire comercial de propsito general La Fig. 2.2.7 muestra un acondicionador de aire especializado de tipo de aire refrigerado (especializado en mbito comercial). Si el compresor exterior y el condensador estn ubicados en el interior y por lo tanto el agua usada para efectuar la condensacin, se puede obtener una disposicin del tipo de agua refrigerada. Un sistema que circula refrigerante en una torre de enfriamiento es un sistema comn para obtener agua refrigerante. Se puede obtener un tipo bomba de calor (acondicionador de aire que enfra y calienta) si las funciones del evaporador y el condensador son invertidas cambiando el circuito del aire refrigerado. En principio, sin embargo, una bomba de calor de tipo de agua no puede usar una torre refrigerante como fuente de agua. Los agujeros para permitir que ingrese el aire pueden proveerse del lado de las superficies posteriores de la unidad acondicionadora de aire en s. Normalmente, se usa un sistema que instala mltiples unidades dentro de la sala acondicionadora de aire que opera separadamente en respuesta a la carga. Hay tambin muchos casos en dnde una sala de mquinas de acondicionamiento de aire es instalada y se utiliza el sistema de conductos para acondicionar el aire. La Fig. 2.2.8 muestra un ejemplo cuando se usa cada tipo de unidad de acondicionadora de aire.

10

Nota: Cuando usa un acondicionador de aire del tipo comercial refrigerado por agua, las unidades nmero 1 y 2 estn incorporadoas en una unidad interior para formar una unidad integral. Impulsin 6 Aire interior 5 7 4 (gas) Refrigerante (lquido) 1 3 2 Aire de refrigeracin

Drenaje Acondiconador de aire de tipo refrigerado por aire (interior) 4 Vlvula de expansin 6 Soplador de aire interior 5 Evaporador (refrigerador) 7 Filtro

Acondiconador de aire de tipo refrigerado por aire (exterior) 1 Compresor 2 Condensador 3 Soplador de aire exterior

El calor (as como vapor de agua) es transportado al exterior por el refrigerante.

Fig. 2.2.7 Sistema refrigerante (expansin directa)(Todos los conductos de entrada de aire fresco son omitidos en la figura. Estos dibujos son diagramas conceptuales).

Tipo P (Pleno)

Tipo D (conducto)

Pleno

Succin posterior (lateral)

No pleno Sala de mquinas Succin frontal Tipo G (rejilla)

No pleno

El ejemplo de la derecha muestra un acondicionador de aire ubicado en una habitacin separada (tal como una sala de mquinas o un corredor).

Fig. 2.2.8 Clasificacin cuando se usa un paquete de acondicionadores de aire11

(b) Sistema Acondicionador de Aire de Flujo Variable de Refrigerante (VRF) Se pueden controlar mltiples acondicionadores de aire para edificios descentralizndolos individualmente. Las ventajas de conservacin de energa y el hecho de que no se necesitan las tuberas de agua, han resultado tema central en el acondicionamiento de aire de edificios. Para la unidad exterior se utiliza un compresor controlado por variador de velocidad y el volumen de refrigerante circulante cambia libremente en respuesta a la carga de las unidades interiores. La capacidad mnima de la unidad interior es pequea permitiendo acondicionar el aire en espacios pequeos. Esto hace que sea fcil zonificar reas de pequea escala tales como oficinas. Dado que las unidades interiores individuales pueden arrancar y detenerse como sea necesario, es fcil ahorrar energa.

Hay varios modelos de unidades interiores y pueden ser integradas en varios conceptos de diseos interiores. Recientemente, el equipo que controla la divergencia de la refrigeracin del lado de evaporacin y la fuente de calor del lado del condensador permite proveer una operacin simultnea de refrigeracin y calefaccin. Este tipo de equipamiento est siendo utilizado principalmente para acondicionar el aire de edificios. La figura de abajo muestra un ejemplo de un sistema de planificacin libre de acondicionamiento de aire de edificios (Acondicionador de aire mltiple, de expansin directa) de Mitsubishi Electric. Se utilizan dos tuberas a travs del controlador BC para que las mquinas puedan proveer refrigeracin y calefaccin simultnea.

Compresor controlado por inverter

Unidad exterior

Distribuidor Distribuidor

Unidad interior

Fig. 2.2.9 Series CITY MULTI Y (conmutacin calefaccin / refrigeracin)

Unidad exterior

Controlador BCDistribuidor Distribuidor

Unidad interior

Fig. 2.2.10 Series CITY MULTI R2 (calefaccin / refrigeracin simultneas)

12

(c) Acondicionador de aire comercial para oficinas y almacenes Acondicionadores de aire de pequeo tamao son usados frecuentemente para edificios de pequea escala y pequeos negocios de venta. La capacidad va desde 4kW a 18kW y hay muchos tipos de unidades. La unidad exterior es generalmente del tipo horizontal y efecta la condensacin usando el aire exterior. Es diseada para instalarse secuencialmente en techos de los edificios. Fig.2.2.12 Tipo cassette

Fig. 2.2.11 Instalacin secuencial de las unidades exteriores. Este tipo de acondicionador de aire comercial tambin puede ser un tipo mltiple desde dos hasta cinco unidades interiores conectadas a una unidad exterior. Varios tipos de elementos se preparan para las unidades interiores y generalmente se utiliza el tipo de elemento referido como cassette. Adems de esto, hay muchas variantes incluyendo un tipo techo, un tipo de suelo vertical, un tipo mural (idntico a las unidades de uso domstico) y un tipo conducto).

Fig. 2.2.13 Tipo techo

Fig. 2.2.14 Tipo mural

13

2.3 Ventilacin y Recuperacin de Calor

Se puede decir que entre las cargas de refrigeracin y calefaccin, en los equipos de acondicionamiento de aire, la que ocupa una gran parte es la carga de aire exterior (carga de ventilacin) que representa el 30% de todas las cargas. Se disea un intercambiador de calor total para cambiar la temperatura (calor sensible) y la humedad (calor latente) del aire de entrada y del aire de salida para reducir la carga trmica de aire de salida y ahorrar energa. (1) Un intercambiador de calor esttico total (Lossnay de Mitsubishi Electric) tiene un intercambiador de calor de placa de aleta de corriente directa (DC) con una construccin como la mostrada en la Fig. 2.3.1 y est comprendida por un panel divisor y un panel espaciador formado por papel especialmente tratado. El aire de entrada y de descarte (salida) son completamente separados por la placa divisoria, haciendo posible siempre introducir aire fresco sin mezclarlo con el de salida. (2) Eficiencia de intercambio La eficiencia de intercambio de temperatura/entalpa se define como se indica a continuacin.

Interior Exterior Aire de descarga exterior Aire de descarga interior (Aire sucio refrigerado y calefaccionado) (Aire fresco refrigerado y calefaccionado) SAPlaca divisoria Papel procesado especialmente Placa espaciadora Papel procesado especialmente

EA

OA Aire de entrada exterior (aire fresco)

RAAire de entrada interior (Aire sucio refrigerado y calefaccionado)

Fig. 2.3.1 Recuperacin de calor de acuerdo al sistema Lossnay

Eficiencia de t(OA)-t(SA) 100 intercambio [%]=t= t(OA)-t(RA) de temperatura Eficiencia de h(OA)-h(SA) 100 intercambio [%]=h= h(OA)-h(RA) de entalpa

(2)

(3)

.................. Eficiencia (%) t ...................Temperatura de bulbo seco (C) h .................. Entalpa (kJ/kg)La eficiencia de intercambio de temperatura actualmente es del 70% aproximadamente. La fig. 2.3.2 muestra la operacin en un grfico psicromtrico.

h OA

Carg a de aire Cantid exte ad de rior recupe ro Los snay

talp

a

En

A

0

h SA h RA h RA

x OA Summerdel aire Estado outside air state en verano exterior

talp

hSA

a

ior

R

x SA Lossless indoor Estado del aire de air supply state entrada interior Lossnay x RA

re e xter

e ai

recup

ero L

Estado del aire Summer indoor air state verano interior en R Estado del aire interior en invierno Lossless indoor S Estado del aire de air supply state entrada interior Lossnay A tSA tRA tRA tSA tOA

Car ga d

h OA

Cantid

ad de

x RA x SA x OA

0 Estado del aire exterior en invierno tOA

Temperatura de bulbo seco (C)

Fig. 2.3.2 Recuperacin del calor de acuerdo al sistema Lossnay.

14

Humedad absoluta

S

En

ossna y

3. Diagrama h-x (Grfico psicromtrico)3.1 Propiedades del aireEl aire contiene aproximadamente 78% de nitrgeno (N2) y la porcin remanente de oxgeno (O2). Otros elementos detectables son el argn, CO2 y helio. Cuando se piensa en las propiedades del aire, se considera la existencia de vapor de agua como un componente principal. El aire seco es aire al que se le removi el vapor de agua y el aire que contiene vapor de agua se llama aire hmedo.Aire seco Vapor de agua Aire hmedo

Seal Peso

Pd 1

P

Pa 1+x

x

Fig. 3.1.1 Mezcla de aire seco y vapor de agua En realidad, el aire seco no existe en la naturaleza. La humedad se siente y la garganta de la gente se seca en respuesta a la cantidad de vapor de agua en el aire.

La temperatura del aire y la cantidad de humedad que pueden ser contenidas en el aire se determina como se muestra en la Fig. 3.2.1. Como se entiende de la figura, cuando la temperatura es alta, el aire puede contener una gran cantidad de humedad. El aire en el estado en el cual el vapor de agua contenido a cierta temperatura ha alcanzado el lmite mximo se llama aire saturado. Adems, la lnea que une la porcin de la cantidad de vapor de agua del aire saturado se llama lnea de saturacin de vapor. La humedad relativa se refiere a que cantidad de vapor de agua est contenida comparada con la cantidad de vapor de agua que pueda ser contenida a cierta temperatura. El aire saturado tiene una humedad de 100%. Si el vapor de agua del aire excede el 100%, la humedad no podr existir como vapor de agua y se convertir en gotas de agua. Si esto ocurre en el cielo, se producir lluvia y si ocurre en una habitacin, se formarn gotas de agua en los vidrios de las ventanas.

3.2.1 Humedad Absoluta ()La masa de vapor de agua contenido en 1kg de aire seco es definida como humedad absoluta.Masa de vapor de agua kg Dividido entre vapor de agua (numerador) y aire (denominador)

3.2 Humedad del AireSi hay una gran cantidad de humedad (vapor de agua existente) en el aire, la humedad se incrementar y si se seca, el vapor de agua en el aire disminuir.pu ed ePequea Canteidad de vapor de agua Grande

no ire ra el a a. tu , u sa ea ag de a ln de a st or ne L de e vap ce s ex m e ner s Si nte co n ci

xAire que conttiene vapor de agua (aire hmedo) Masa de aire (masa de aire seco) kg

Fig. 3.2.1.1 Humedad absoluta ()

Bajo

Temperatura del aire (BS)

Alto

Fig. 3.2.1 Temperatura de aire y cantidad de vapor de agua.

15

3.2.2 Humedad Relativa (unidad %)La relacin entre la presin parcial de vapor de agua contenido en el aire en el momento actual comparado con la presin parcial de vapor de agua dentro del aire saturado a una cierta temperatura es llamada la humedad relativa. Como se muestra abajo, la humedad relativa es la relacin del valor obtenido extrayendo slo el vapor de agua desde el aire saturado a una cierta temperatura, introduciendo el vapor en un espacio especfico y luego midiendo la presin y extrayendo slo el vapor de agua desde el aire hmedo a la misma temperatura. De ah en ms, el vapor es introducido en un espacio con la misma capacidad y luego se mide la presin.Humedad a una cierta temperaturaMPa

Extrayendo slo vapor de agua

Aire hmedo a una cierta temperatura

Wkg

Extrayendo slo vapor de agua

Presin del vapor de agua slo extraido desde la izquierda

Aire saturado a la misma temperatura que arriba

WSkg

P PSAire saturado a la misma temperatura que arriba Presin del vapor de agua slo extraido desde la izquierda

Fig. 3.2.3.1 Humedad porcentual ()

MPa

Fig. 3.2.2.1 Humedad relativa ()

3.2.3 Grado de Saturacin (humedad porcentual) (unidad %)La humedad porcentual es definida como una escala de medicin que indica el porcentaje (%) de valor de agua contenido en el aire a una cierta temperatura contra una cantidad de valor de agua en aire saturado. Con slo aire saturado, la humedad relativa y humedad porcentual sern iguales y en otro caso sern diferentes. Adems de que este es el caso, podemos convenientemente asumir diseos de acondicionamiento de aire con una diferencia cercana a la temperatura normal a presin atmosfrica de 1% o menos.

16

3.2.4 Mediciones de Humedad

La humedad puede ser leda directamente en porcentaje (%) usando un higrmetro. Tambin se puede hallar fcilmente la humedad midiendo la temperatura de bulbo seco y la de bulbo hmedo. Estudiaremos un grfico psicromtrico en el prximo captulo. Examinar la humedad usando un diagrama psicromtrico es un mtodo simple y efectivo. Generalmente hablando, la temperatura de bulbo seco es medida usando graduaciones (escalas) en un tubo de vidrio dentro del cual se encuentra encerrado un lquido, tal como alcohol. La temperatura de bulbo hmedo es medida usando un dispositivo en el cual un trozo de tela es envuelto alrededor del sensor de temperatura de un termmetro para medir la temperatura. Este dispositivo vaporiza el contenido de agua hasta que el aire a ser medido alcance el equilibrio. Adems, tambin hay expresiones computacionales para determinar la presin parcial de vapor de agua a partir de las lecturas de las temperaturas de bulbo seco y de bulbo hmedo y luego obtener la humedad relativa. La expresin difiere cuando el bulbo hmedo se congela y cuando no.

Termmetro de bulbo secoBS Seal t

Lea esta indicacin despus de por lo menos hayan pasado 2 minutos con un flujo de aire de 3 m/s o ms. Termmetro de bulbo hmedoBH Seal t

Sensor de temperatura (esfrico) con gasa hmeda Sensor de temperatura seco (esfrico)

Fig. 3.2.4.1 Termmetro de bulbo hmedo y seco.

17

Un sistema acondicionador de aire mantiene la temperatura y humedad del aire dentro de una habitacin en valores deseados. Debido a esto, el sistema acondicionador de aire debe enviar aire fresco y aire clido a una temperatura y humedad adecuada dentro de la habitacin. Por lo tanto, cuando el aire es calentado, refrigerado, humidificado o deshumidificado, debe haber exmenes de cuanto cambian las diversas propiedades del aire. En este punto cuando desea usar un diagrama psicromtrico para encontrar valores de 1 Temperatura de Bulbo seco, 2 Temperatura de Bulbo hmedo, 3 Humedad absoluta, 4 Humedad Relativa, 5 Temperatura de punto de condensado,

3.3 Sistema de Acondicionamiento de Aire y Diagrama h-x

6 Volumen especfico y 7 Entalpa (contenido de calor) de un determinado aire, sabiendo simplemente dos valores de entre 1 a 7 le permite determinar los dems valores. Ms an, cuando hay calefaccin, refrigeracin , humidificacin y deshumidificacin en el estado del aire, construir un diagrama psicromtrico le permitir juzgar cambios y encontrar el grado al cual ocurre el cambio. Hay muchos tipos de diagramas psicromtricos. Nosotros usaremos el ms comn y fcil de entender (diagrama psicromtrico h-x) para la explicacin. En este captulo describiremos la entalpa pero abreviaremos la entalpa especfica como entalpa.

%

in

En

/kg)

ea

kJ

talp

Ln

En

c Fa

d tor

de

a

u(

-h

1 Temperatura temperature t (?C) Dry-bulb de bulbo seco (? C)

4

Hu

m

ed

ad

re

la

a tiv

3 Humedad absoluta x

2 Te

mp

era

tura

de

bulb o

(%

alo e cS H F

hm

edo

t(?

C)

5 Temperatura de punto de roco t

t

t

Temperatura (C)

Fig. 3.3.1. Composicin del diagrama psicromtrico h-x de aire hmedo.

18

3 Humeada absoluta x [kg / kg (DA) ]

nc ifere de d in umedad c Rela lpa-h Enta h /dx u=d

sa

tur ac

7

[k

ia

?

0?

e rs

ns

e ibl

Factor de calor sensible SHF

(D h A) ]

J

ta

lp

=1

a

00

)

o to) cfic bru spe cfico ne me espe Volu umen )] l 6 (vo 3 / (DA v [m

Presin 101,325kPa, Temperatura -10 ~ +50 C

Diagramas de aire hmedo h-x

Rel ac ent in de alp a-h difere u= n um dh eda cia /d x d

ca c pe(% )

ra d

eb

ulb

oh

m edo

t ( C)

Agua

Hielo

Dry-bulb temperature t ( C)

Specific volume bulk

Fig. 3.3.2 Diagrama de aire hmedo h-x (Sociedad Japonesa de Ingenieros en Refrigeracin y Acondicionamientod e Aire) (1994))

Factor de calor sensible

atu

Humedad absoluta

Tem per

Hu m ed ad

En

re la tiv a

19ta lp a

En

ta

es

a lp

es

fi c pe fi ca

)

3.4 Terminologa y Cmo Leer un Diagrama psicromtrico h-x(1) 1 Escala de temperatura de bulbo seco. 3 Escala de humedad absoluta. Cuando un cierto aire no se humidifica o deshumidifica pero se calienta o enfra , la humedad absoluta es constante. Por lo tanto, slo la temperatura del bulbo seco cambia en forma paralela a las lneas de la escala de humedad absoluta. Ms an, cuando la temperatura es constante y se humidifica (se agrega vapor de agua) o deshumidifica (tal como cuando se utiliza silica gel), la temperatura de bulbo seco ser constante y slo el valor de la humedad absoluta cambiar. (2) 2 Escala de temperatura de bulbo hmedo. 2 Escala de entalpa especfica (Abreviada como Entalpa). Estos dos tipos son generalmente lneas de graduacin paralelas como se muestra en la figura. La temperatura de bulbo hmedo est representada por lneas quebradas y la entalpa por lneas slidas. La entalpa de aire seco de temperatura de bulbo seco t=0C y la humedad absoluta x = 0kg/kges determinada para ser h = 0kJ/kg. (ejemplo) El valor de la entalpa de la escala a una temperatura de bulbo seco de 29C y temperatura de bulbo hmedo de 21C es 60,7 kJ/kg. Si una cierta cantidad de aire es humidificado usando vapor de agua, el cambio en ese aire aparecer en la escala en la direccin superior izquierda. Esto es debido al hecho de que la temperatura de bulbo seco del aire cae debido a que el calor latente requerido para vaporizar el agua (humedad) es aceptado desde el aire pero la energa calrica del aire en s puede ser pensada como que es constante. Smbolo que representa la Entalpa h (o i) (3) 4 Escala de humedad relativa La lnea de escala de 100% de humedad relativa tambin es llamada lnea de saturacin. El vapor de agua dentro del aire sobre esta lnea se transforma en roco flotando en el aire o el vapor de agua cambia a agua y es descargado hacia el aire exterior. Smbolo que representa a la humedad relativa .A Cambia debido a la calefaccin o refrigeracin cuando la humedad absoluta es constante (no humidifica ni deshumidifica) B Deshumidificacin y humidificacin de vapor de agua sin cambios de Refrigeracin Calefaccin temperatura

Humidificacin Dehumidificacin B A

Temperatura de bulbo seco < C BS>

Fig. 3.4.1Aumento en la humedad absoluta y descenso en la temperatura de bulbo seco drante la humidificacin del vapor de agua (La entalpa no cambiar).

kJ/k

g>

t oeinra p tp e(wem c e(do bores rbautlu a de rmp u e plebrat Tte-mu

Descenso de la temperatura de bulbo seco

Fig. 3.4.2

L

ne

a

de

sa

t

i ac ur

n

10 0

90 0 8 0 7 60 50 40 30 2010

Fig. 3.4.320

Ausolute de la hu Abmento humidit ymedadasesolut Incre ab a

cfica-h

0,8 2

0,8

Masa de aire primario por el acondicionador de aire = Flujo de aire primario por el acondicionador de aire Volumen especfico del aire primario

(4)

0

8

Fig. 3.4.5(5)

A pesar de que el smbolo de unidad kgsignifica aire seco (DA), puede ser pensado como una masa del aire provisto (aire hmedo) desde un punto de vista prctico. Cuando el estado del aire no puede ser identificado durante la planificacin y el diseo de un sistema acondicionador de aire, use un valor de referencia de 0,83 como un valor para el volumen especfico.

21

(6) Escala de SHF (Sensible Heat Factor - Factor de Calor Sensible) Estos son grficos que muestran la relacin entre calefaccin y humidificacin o entre refrigeracin y deshumidificacin. Como se muestra en la figura, cuando el valor en el estado radiante centrado en t = 26,0 y = 50% se superponen sobre otras escalas, la figura se volver compleja. Por lo tanto, la porcin central es omitida en el diagrama psicromtrico.

Cuando el aire en un cierto estado experimenta cambios en el calor sensible y calor latente al mismo tiempo, ese cambio se produce en lneas dibujadas en paralelo desde puntos (puntos de estado) que muestra el estado antes del cambio hasta arriba-derecha (calefaccin + humidificacin) o abajo-izquierda (refrigeracin deshumidificacin) en las escalas de SHF. Calor sensible SHF = (6) Calor sensible + Calor latente

0,40 0,45 0,50 0,60 0,70 0,80 0,90 1,00

50

Centro de la lnea de escala de SHF (punto de referencia)

Factor de calor sensible SHF

s ea rv n nte s i la n ste ite e e om o d r Se ent d %

de

0,35

26,0

Variacin de temepratura (Temperatura de bulbo seco t [C]

Fig. 3.4.6

Fig. 3.4.6.(1) Imagen del factor de calor sensible

Cambios en el diagrama psicromtrico cuando el aire en el punto A es 0,7 y es calentado y humidificado al mismo tiempo.ua c in SH

F

Cambios en el diagrama psicromtrico cuando el aire en el punto A es 0,6 y es refrigerado y deshumidificado al mismo tiempo.lo va s re SH

F0,60

Pu

o nt

de

r

er ef

c en

ia

de

ad gr

0,70

Lne ios e Camb n esta

lela a para

A

lnea

n Pu

to

de

r fe reA

en

cia

de

Lne

a pa

ralela

Cam

b

ne ios e

sta l

. nea

Fig. 3.4.7

Fig. 3.4.8

22

Humedad Humedad absoluta x [ kg / kg (DA) ]

c es o al

Lnea

a al

0,30

d da nti ca in de atente de cc l in iac ccin n lefa ci Var lefa ria e ca d ca Va al d ida ant ble tot e c sensi d n in iac cci Var calefa de

de sa

turac

in

3.5 Clculos Bsicos en un Diagrama h-xSi se aplica un diagrama psicromtrico, se pueden encontrar la mayor parte de los cambios de estado del aire relacionado al acondicionamiento de aire. Esa porcin ser introducida como sigue. (1) Prctica en Lectura de un Diagrama psicromtrico h-x Encuentre la humedad relativa () y otras a partir de las temperaturas de bulbo seco y hmedo. (ejemplo) Encuentre , , h, t", del aire de t = 26C, t= 19C (respuesta) Encuentre el punto de estado de t = 26C, t=19C en un diagrama psicromtrico y lea los otros valores. = 51,7% x = 0,0109 kg/kg h = 54,0 kJ/kg t" = 15,3 C =0,862m3/kg

Volumen del aire primario Estndar 45m3/min. Cantidad de entrada de aire exterior 9m3/min Aire exterior t = 33C, = 65% Aire interior t = 27C, = 50%Aire exterior 9 m3/min t =33 C, =65%

Mezcla de aire 45 m3/min Aire interior 36 m3/min t = 27 C , =50%

Fig. 3.5.2(respuesta) Encuentre los puntos de estado 1 y 2 del aire interior y exterior en un diagrama psicromtrico y luego conecte una lnea recta entre ambos. El punto de estado de la mezcla de aire se encuentra en algn punto de esa lnea recta y ese punto se determina por t3 de la mezcla de aire calculado mediante la siguiente ecuacin. t3= k t1 + (1 - k) t2 (7)

0

54,

9,0

t1=5 1, 7

t=1

h=

50

t2 t3 k

t=

x=0,0109v=

Temperatura de bulbo seco (C) del aire exterior Temperatura de bulbo seco (C) del aire interior Temperatura de bulbo seco (C) de la mezcla de aire. Cantidad de entrada de aire exterior Volumen de aire primario

15,

3

0,8 62

Fig. 3.5.1(2) Utlizando un diagrama h-x cuando se mezcla aire Encuentre el estado cuando se mezclan dos tipos de aire. (ejemplo) Opere un cierto acondicionador de aire bajo las siguientes condiciones. Encuentre t, tdel aire (mezcla de aire exterior e interior) absorbido dentro del refrigerador.

Mezcla

2

t =

21, 3

3 1

=

50

28,2 27,0 33,0

Fig. 3.5.323

=6

5

t=26,0

(respuesta)

t3 =

9 9 33 + (1 ) 27 = 28,2 45 45

Por lo tanto, en un diagrama psicromtrico t'3 = 21,3 (referencia) La posicin en donde el punto de estado de la mezcla de aire se encuentra depende de la cantidad de mezcla del aire exterior e interior. Si se toma el 100% del aire exterior, el estado de la mezcla ser el punto 2 y si no se toma aire exterior en absoluto, el estado de la mezcla de aire ser el punto 1. Esto es determinado usando la relacin de masa correspondiente a los volmenes de aire exterior e interior en el punto entre 1 y 2. (3) Clculo del Rendimiento de Refrigeracin durante la Operacin. Encuentre el rendimiento de refrigeracin durante la operacin y determine la calidad del estado de operacin del acondicionamiento de aire comparndolo con el rendimiento de refrigeracin esperado obtenido a partir de un diagrama de rendimiento bajo las mismas condiciones. Rendimiento de refrigeracin durante la operacin Rendimiento esperado de refrigeracin

Mida las temperaturas de aire seco y hmedo del aire de entrada y de retorno (el aire exterior y el interior cuando el acondicionador de aire toma aire exterior) del acondicionador de aire durante la operacin. Use un diagrama psicromtrico (debern ser usados al menos dos grupos de diagramas psicomtros) para encontrar la entalpa h1 del aire de retorno del refrigerador 1, la entalpa h2 del aire de entrada 2, y el volumen especfico v2. Luego, calcule el rendimiento de refrigeracin usando la siguiente frmula. Volumen de aire Qc = (h1 h2) (8) 60 2 : Rendimiento de refrigeracin : unidad Este coeficiente 60 no es requerido cuando la unidad de volumen de aire es Volumen de aire : unidad (o ). Cuando un ducto no est conectado a un acondicionador de aire y no hay otros problemas, el volumen de aire nominal es aceptable. v2 : Volumen especfico de aire de entrada (ejemplo) Aire de retorno Temperatura de bulbo seco 27,0C Temperatura de bulbo hmedo 19,5C aire de entrada Temperatura de bulbo seco 18,0C Temperatura de bulbo hmedo 13,5C Volumen de aire 30m3/min (respuesta) Usando el diagrama psicromtrico, h1 = 55,3 h2 = 37,7 v2 = 0,835 Por lo tanto, 30 Qc = (55,3 - 37,7) 10,5 60 0,835Ejemplo de clculo de datos de rendimiento de refrigeracin durante la operacin

Qc 60

> 0,8 =

Si el contenido de arriba y el criterio de evaluacin son satisfechos, el acondicionador de aire se considera que trabaja normalmente.Clculo de datos del rendimiento de refrigeracin durante la operacinmb ca laten iada de ntidad te calo r

h 1 Po rc ca in de

h2

t 1

h 1=

Porc cam in de c a b sens iada de ntidad ible calo r

37,

7

t

h 2=

t

2=

13

,5

t 1 =1

2

9,5

1

55, 3

1

v2t2 t1

2v 2=0,8 35

Fig. 3.5.4

t 2=18,0

t 1=27,0

Fig. 3.5.524

(4) Clculo de Rendimiento de Calefaccin Durante la Operacin Encuentre el rendimiento de calefaccin durante la operacin y determine la calidad de la operacin del acondicionador de aire usando un mtodo idntico al item (3) de arriba. Mida las condiciones del aire del acondicionador de aire durante la operacin usando un mtodo idntico al item (3) de arriba. Cuando se incorpora un humidificador en el acondicionador de aire, detendr la operacin. Usando un diagrama psicromtrico, encuentre el volumen especfico 2 del aire ingresante y luego calcule el rendimiento de calefaccin durante la operacin con la siguiente ecuacin usando la temperatura de bulbo seco del aire de entrada del calefactor t1 y la temperatura de bulbo seco del aire de entrada t2. Volumen de aire (t2 - t1) QH = Cpa (9) 60 2 QH : Rendimiento de Calefaccin 60 : unidad Este coeficiente 60 no es requerido cuando la unidad de volumen de aire es Volumen de aire : unidad (o ). Cpa : Puede ser omitido como total 1 dado que el calor especfico a presin constante del aire = 1,006 . v2 : Volumen especfico de aire ingresante Mida el rendimiento de calefaccin de un acondicionador de aire del tipo bomba de calor con calefactor elctrico auxiliar cuando se est deteniendo el calefactor.Clculo de datos de rendimiento de calefaccin durante la operacin.

(ejemplo) Aire de retorno Temperatura de bulbo seco 21,0C Temperatura de bulbo hmedo 14,0C 38,5C Aire provisto Temperatura de bulbo seco Temperatura de bulbo hmedo 20,1C Volumen de aire 40m3/min Calefactor elctrico incorporado 2kW no-operando (respuesta) Usando un diagrama psicromtrico, 2=0,893 Por lo tanto, 40 QH = (38,5 - 21,0) 60 0,893

13,1 (10)

Ejemplo de clculo de datos de rendimiento de calefaccin durante la operacin.

t1

=1

4,

02= 0,8

t

2=

20

,1

93

1=21,0

2=38,5

Fig. 3.5.7

t12

t1

2

2

1

2

Fig. 3.5.6

25

3.6 Temperatura de Entrada de Aire de Acondicionamiento de AireTemperatura de Aire de entrada de un Acondicionador de Aire Estndar Encuentre las condiciones de provisin de aire que corresponden a la carga de refrigeracin interior y luego use esto para determinar la calidad de una mquina seleccionada comparada con el estado del aire de entrada del acondicionador de aire seleccionado. (1) Primero, encuentre el punto de estado de aire de entrada interior esperado 5 desde la carga de refrigeracin. Encuentre el punto 1 del estado de aire interior en el diagrama psicromtrico y luego dibuje una lnea de carga interior SHF en la direccin hacia la izquierda abajo. Verifique el punto 1 de entalpa h1 .aire de entrada esperado y aire provisto del equipo

(2) Encuentre el punto de estado de aire de entrada del equipo 4 encontrado desde el rendimiento de refrigeracin del acondicionador de aire. Determine los valores del rendimiento de refrigeracin del acondicionador de aire seleccionado y el SHF del equipo desde el diagrama de rendimiento y use la capacidad de acondicionamiento de aire para determinar el grado al cual cae la entalpa del aire de entrada (he) con la siguiente ecuacin.

he =

(Rendimiento de refrigeracin) 0,83 60 (Volumen de aire del acondicionador de aire seleccionado)

(12)

he

h3

2 Aire exterior

Encuentre el punto (3) de estado del aire de retorno del enfriador del acondicionador de aire en un diagrama psicromtrico (refirase a 3.5 (2)) y luego, desde 3, dibuje la lnea SHF del equipo en direccin hacia abajo-izquierda. La entalpa h4 que sustrajo he de la entalpa h3 (del punto 3) es la entalpa del aire de entrada del acondicionador de aire y el punto de estado del aire de entrada del equipo es el punto en donde se intersectan la lnea SHF del equipo con la entalpa h4 (4). (3) Determine la calidad de la mquina seleccionada. Si el punto (4) de estado de aire de entrada del equipo se ubica en la direccin hacia la izquierda abajo como se ve desde el punto (5) de estado de aire interior provisto esperado en el diagrama psicomtico (rango punteado de la Fig. 3.6.1), no habr errores con la mquina seleccionada (auque si hay una significante separacin en la direccin hacia la izquierda-abajo, reseleccione un acondicionador de aire con un menor rendimiento de refrigeracin y verifique nuevamente). Una direccin hacia arriba-derecha indica que el rendimiento de refrigeracin de acondicionamiento de aire no es satisfactorio. El punto 3 ser el mismo que el punto 1 cuando no se tome aire exterior dentro del acondicionador de aire.

h1

h4

SHF o quip5 1

h

3

h5

4

E

Carg

r SHF a interio

Fig. 3.6.1Calcule la diferencia de entalpa h requerida entre 1 aire interior y 5 aire de entrada esperado usando la siguiente ecuacin para encontrar la entalpa hs del aire de entrada .

h =

(Carga de refrigeracin interior) 0.83 (Rendimiento de refrigeracin)0,83>m3/kg>60 (13) = (Volumen de aire) h2 = h1 - h Segmento de lnea 2 - 3 h2 - h3 or BF = BF = Segmento de lnea 1 - 3 h1 - h3Podemos asumir que este valor de BF no fluctuar a menos que cambie el volumen de aire.

27

i

0,10

n

10

0

(2) Econtrar las condiciones de Aire Esperadas Encuentre las condiciones de ingreso de aire del acondicionador de aire (condiciones de ingreso de aire esperadas) desde el rendimiento de refrigeracin de acondicionamiento de aire, el volumen de acondicionamiento de aire y BF. (respuesta) En un diagrama psicromtrico, encuentre el punto correspondiente al estado del aire interior del enfriador 1 y luego verifique la entalpa h1. Encuentre h a partir del rendimiento de refrigeracin y volumen de aire y luego determine h2. Encuentre h3 con la siguiente ecuacin. h2 = h1 - h

h3 =

h2 - (BF h1)