aplicacion de sistemas hidraulicos en acondicionamiento de aire

APLICACIN DE SISTEMAS HIDRULICOS EN AIRE ACONDICIONADO

LAURA MELISSA PEREZ MENDOZA

DIEGO FERNANDO ORTIZ CASTILLO

CARLOS ANDRES TELLEZ FLOREZ

SISTEMAS DE TRANSPORTE Y APROVECHAMIENTO DE FLUIDOS

UNIVERSIDAD INDUSTRIAL DE SANTANDER

FACULTAD DE INGENIERAS FSICOMENCNICAS

ESCUELA INGENIERA MECNICA

BUCARAMANGA

2014

INTRODUCCIN

La ventilacin es la renovacin del aire interior en una edificacin mediante

inyeccin o extraccin de aire. Aspectos importantes del aire acondicionado es

mantener las siguientes condiciones:

Asegurar la limpieza del aire respirable.

Asegurar la salubridad, tanto el control de humedad, concentracin de gases

o partculas en suspensin.

Colaborar en el acondicionamiento fsico del edificio.

Ayudar con los humos en caso de incendio.

Disminuir las concentraciones de gases o partculas a niveles adecuados

para el funcionamiento de maquinarias o instalaciones.

Proteger determinadas reas de patgenos que puedan penetrar va aire.

En el caso de la ventilacin existen varios tipos que se pueden utilizar, los cuales

por ahora solo se mencionara: Ventilacin forzada, ventilacin natural, ventilacin

selectiva e infiltracin.

El acondicionamiento de aire es el proceso que se considera el ms completo

tratamiento de aire ambiente en locales. Pueden existir varios tipos de sistemas de

acondicionamiento autnomo y centralizado, los autnomos tratan el aire

produciendo calor o frio y algunas veces tratan el aire. Los centralizados tienen

acondicionamientos que solamente tratan el aire y obtienen la energa trmica de

un sistema centralizado.

Los sistemas de refrigeracin trmica ms comunes son los de compresin

mecnica la cual consiste en un proceso cclico de transferencia de calor interior de

un edificio, mediante la evaporacin de sustancias refrigerantes como fren.

En este trabajo abordaremos, tanto la parte de la transferencia de calor del aire al

lquido refrigerante, como tambin la forma en la que este lquido (para nuestro caso

el agua) se lleva hasta la zona de refrigeracin, y que elementos se necesitan para

realizar esto.

OBJETIVOS

Analizar los diferentes tipos de aire acondicionado y en qu reas se utilizan

cada uno.

Proponer, analizar y resolver un problema de sobre HVAC (Heating, ventilating,

and air conditioning).

Entender cmo funcionan las bombas y dems elementos hidrulicos en los

sistemas de aire acondicionado.

Dar solucin al diseo del sub-sistema hidrulico pertinente para un sistema de

aire acondicionado.

1. JUSTIFICACIN DEL PROBLEMA

La idea de un aire acondicionado no solo es brindar confort sino tambin mantener

las condiciones adecuadas para el desempeo de ciertas labores, las cuales en

otras condiciones se convertiran tediosas y aportaran mayor dificultad a la tarea.

Con esto en mente se desea disear el sub-sistema hidrulico de alimentacin de

un sistema de enfriamiento evaporativo para un galpn ubicado en zona rural con

un ambiente caluroso y con acceso a un suministro de agua natural cercano (lago).

En esta zona se presentan temperaturas de hasta 40C y una humedad relativa del

20%, lo cual representa un clima poco adecuado para la cra de los pollos ya que al

estar acumulados podran generarse enfermedades as como maltrato en el estado

fsico de los mismos debido a estas condiciones.

2. PLANTEAMIENTO DEL PROBLEMA

Se va disear un sistema de enfriamiento evaporativo para un galpn de cra de

pollos. Las condiciones ambiente del sitio son 40C y 20% de humedad relativa.

Se espera introducir al enfriador 75 m3/s, para que las condiciones de entrada al

galpn sean 28,6C y 56,6% de humedad relativa, y las condiciones de salida

30,2C y 54% de humedad relativa. Se bombear agua tal que el flujo de agua/rata

de evaporacin=3. La nica ganancia apreciable de calor proviene de los pollos (se

desprecia el calor a travs de las paredes debido a la rpida ventilacin) que

generan 250 kW de calor total, 40% del cual es latente. Se estima una eficiencia del

enfriador del 75% y la presin atmosfrica es 1 atm.

Determinar:

a) El caudal que suministra la bomba al enfriador.

b) La cabeza de bomba.

c) Dimetro y material de la tubera.

d) Representar el punto de operacin de la bomba en el diagrama [H-Q].

Figura 1. Dimensiones del galpn.

Fuente: Los autores.

Figura 2. Esquema de la ubicacin del galpn con la fuente hdrica.

Fuente: Los autores.

Figura 3. Sistema de enfriamiento evaporativo usado en el sistema de refrigeracin.

Fuente: Los autores.

3. MARCO TEORICO

Para la crianza de pollos se requieren de instalaciones adecuadas en donde las

aves estarn durante su crecimiento, ya que es indispensable para la existencia de

una produccin rentable, sobre todo para su subsistencia o comercializacin.

Colombia cuenta con todos los pisos trmicos y es comn encontrar granjas de

Produccin desde el nivel del mar hasta los 3000 msnm., con temperaturas desde

los 15 grados hasta 35 o ms grados centgrados, con humedades relativas (60-

70%). Para nadie es secreto que cada da tenemos temperaturas ms altas en el

da, todo por efecto del calentamiento de la tierra por los fenmenos ya conocidos,

lo que nos obliga a prepararnos y proteger las aves del golpe de calor, accidente

que puede significar en gran medida el fracaso econmico en un lote de pollos.

Temperatura confortable:

Cuando mantenemos la temperatura entre los rangos ideales de confort para las

aves; 32 grados para pollito recin nacidos y 20-22 grados para pollos en edad de

sacrificio, estamos hablando de confort; el cual se logra evitando la acumulacin de

calor en el interior del galpn y refrescando las aves por el efecto mecnico del

movimiento del aire, esto es lo que llamamos sensacin trmica, que corresponde

cuando las aves sienten una temperatura inferior a la que marca el termmetro. Por

ejemplo tenemos una temperatura ambiental de 32 grados, cuando movemos aire

a una velocidad de aire de 2 metros /segundo, la sensacin trmica es de 24 grados.

Humedad indicada:

Mantener una cama seca sin acumulacin excesiva de humedad, sin vapores

amoniacales es prevenir futuras afecciones respiratorias en las aves. Igualmente

mantener la humedad por debajo de los lmites mximos (80%) permite a las aves

eliminar calor por medio de la respiracin sin generar stress en las aves.

Las variaciones del medio ambiente en los galpones en gran medida son influidas

por la ventilacin y afectan el rendimiento de las aves.

Los expertos en gentica han logrado elevar el ritmo de crecimiento y el rendimiento

en canal en el pollo moderno; con una ventilacin deficiente y una temperatura alta

el pollo deja de comer y la ganancia diaria se deteriora estando seguros que nunca

se recuperar el tiempo perdido. Al contrario con una ventilacin inapropiada

cuando la temperatura es demasiado baja el pollo tiende a consumir ms alimento

para mantener su temperatura corporal en lugar de aprovechar la energa en

crecimiento, con un incremento del costo de produccin.

Teniendo la anterior informacin presente sabemos que el diseo del sistema de

ventilacin y refrigeracin del galpn es vital para el xito de la empresa.

Se tienen varias formas de ventilacin para galpones.

TIPOS DE VENTILACIN Ventilacin natural o galpn abierto Ventilacin mecnica con ventiladores Ventilacin por presin negativa. Ventilacin positiva.

Se usara un sistema de ventilacin por presin negativa que consiste en introducir

y extraer el aire al interior del galpn de forma controlada, generando un vaco dentro

del galpn. En una culata se instalan ventiladores que sacan el aire y en la otra el aire

ingresa a travs de paneles evaporativos cargando el aire de humedad y bajando su

temperatura.

El principio de funcionamiento del enfriamiento por evaporacin se basa en emplear

la gran entalpia de vaporizacin del agua. La temperatura del aire seco puede ser

reducida en forma significativa mediante la transicin de fase de agua lquida a

vapor de agua, que requiere de un consumo de energa mucho menor que el

consumo de energa de las unidades que funcionan mediante refrigeracin. En

climas extremadamente secos, adems posee el beneficio adicional de

acondicionar el aire al agregarle humedad para mayor confort de los ocupantes de

la casa. A diferencia de la refrigeracin, los dispositivos que funcionan a base de

evaporacin requieren disponer de una fuente de agua y para su funcionamiento

consumen agua de manera continua.

4. SOLUCION EMPIRICA

Separaremos el problema en dos partes con el fin de explicar cmo se realiz el

diseo.

1. Diseo trmico del refrigerador de aire por enfriamiento evaporativo.

2. Diseo hidrulico de la entrada y salida de agua al refrigerador.

1. DISEO TRMICO DEL REFRIGERADOR DE AIRE POR ENFRIAMIENTO

EVAPORATIVO

Para este sistema se requiere del diseo del enfriador por el que pasara el aire antes

de entrar al galpn para suministrar el aire a la temperatura y humedad especificas

requeridas.

Para lo cual usaremos las siguientes formulas:

Humedad especfica [] .

=0.622

[

]

Entalpia de una mezcla aire-vapor de agua

= + [

]

Entalpia del aire.

= [

] * *( ) hgalponh h

*

2 1 1(h h )h h

= +

2. DISEO HIDRULICO DE LA ENTRADA Y SALIDA DE AGUA AL

REFRIGERADOR.

Como el enfriador el sistema de refrigeracin por enfriamiento evaporativo requiere

de una entrada de agua continua y tambin una salida del agua que se est

esparciendo que se condensa en la parte inferior del refrigerador, y como el agua

esta siento tomada de una fuente natural cercana (un lago) que est a una diferencia

de altura considerable de la entrada al refrigerador, debemos tener en cuenta varios

aspectos hidrulicos como son:

La cantidad de agua que se necesita (dato que nos da la parte del diseo

trmico).

La altura o carga esttica que debemos superar para llevar el agua hasta el

punto deseado.

El tipo de tubera (dimetro, material, cedula) que se desea utilizar, que

est de acuerdo a las necesidades del problema. Tanto para la entra del

lquido, como para la salida de este.

Las prdidas que s que generaran por las tuberas.

La bomba que se usara para vencer esas perdidas

Las curvas del sistema y la bomba

Y el consumo de energa de esta bomba

Para estos clculos usaremos las siguientes formulas:

as pQ m C t

as pQ m C t

p pa pvC C C 0v pvh C t l

2 1( )w am m

*2 1 1( ) (1 (1.608 ))a galpon

a

R T

P

5. SOLUCIN DEL PROBLEMA

Figura 4. Esquema del sistema evaporativo con sus datos.

Fuente: Los autores

5.1 DATOS

1 = 75 [3

] Este flujo de aire permanecer constante

2 = 28.6 []

2 = 56.6%

= 40 []

= 20 %

= 250 []

3 = 30.2 []

4 = 54%

5.2. DESARROLLO

Primero hallaremos la entalpa y la humedad especfica del aire ambiente. De

tablas, para:

Desarrollo:

Primero hallaremos la humedad especfica [] del aire ambiente.

=0.622

[

]

De tablas, para:

= 40 []

= 40 [] = 7375 []

= = 101323 []

=0.622 0.2 7375

101323 0.2 7375= 0.00919 [

]

Ahora hallamos la entalpia dentro del galpn

= +

(40)=2573.5 [

] 40

= = 1.005 40 = 40.2 [

]

= 40.2 + 0.00919 2574 = 63.9 [

]

Ahora se calculara el volumen especfico de aire que circular por el galpn

(1 (1.608 ))a galpon

a

R T

P

Reemplazando:

287 313(1 (1.608 0.00919))

101325a

3

0.9am

kg

Hallando el flujo de masa de aire tendremos:

a

a

Vm

Reemplazando:

75

0.9am

83.3akg

ms

Ahora mediante una interpolacin se calcular la temperatura de bulbo hmedo del aire

ambiente usando la siguiente ecuacin:

* *( ) hgalponh h

C ( )

kJ

kg

( ) (40 ) C kJ

hkg

20 2454 0.01468 20 83.90 0.006399

21 2486 0.01564 19 88.09 0.007745

22 2643 0.01666 18 92.27 0.00915

Calculando la entalpia de saturacin con los datos de la tabla.

* 63.9 (0.01666 0.00919) 92.27h * 64.59kJ

hkg

Teniendo en cuenta que el enfriador tiene una eficiencia de 75% tenemos:

*

2 1 1(h h )h h Reemplazando: 2 63.7 0.75 (64.4 63.7)h 2 64.2kJ

hkg

Calculando la humedad a la salida del enfriador:

*

2 1 1( ) Reemplazando: 2 0.00919 0.75 (0.01666 0.00919)

2 0.0148

Con estos datos se puede calcular la masa de agua evaporada:

2 1( )w am m

83.3(0.0148 0.00919)wm

468wkg

ms

Este es el flujo que se necesita bombear por el enfriador.

Teniendo en cuenta el calor sensible y el calor latente hallamos las condiciones del

galpn.

as pQ m C t

as pQ m C t

p pa pvC C C 0v pvh C t l

0.6 250sQ

150sQ Kw

0.4 250lQ

100lQ Kw

33

0.0148150 83.3 (t 28.6) 1.005 1.82

2

33

28.6100 83.3 ( 0.0148) 1.82 2643

2

t

Despejando las dos ecuaciones tenemos:

3 30.34 t C 3 0.01525

6 BIBLIOGRAFIA

CENGEL Y.A. & BOLES M.A. Termodinmica, 2da edicin. McGraw Hill, 1996.

VAN WYLEN Gordon & otros. Fundamentals of classical Thermodynamics. SI

versin. 2nd edition. John Wiley & sons. 1978 (o 2da Edicin. 1999 en Espaol.

Edit. Limusa-Wiley).

MATAIX, Claudio. Mecnica de Fluidos y Mquinas Hidrulicas, segunda edicin.

Mxico D.F, ALFAOMEGA, 1978.

FERNNDEZ DIZ, Pedro. Bombas centrifugas y volumtricas. Departamento de

ingeniera elctrica y energtica, Universidad de Cantabria.

MOTT, Robert. Mecnica de Fluidos y Maquinas Hidrulicas, Sexta edicin; Mxico

D.F.