nociones generales sobre acondicionamiento de aire

Facultad de Ingeniería Universidad Nacional de La Plata

Termotecnia III – M0622

1 Termotecnia III – Facultad de Ingeniería | Universidad Nacional de La Plata

Nociones generales sobre Acondicionamiento de aire

Ing Sergio Rusconi

Ing Claudio Martins




Contenido

1. Definiciones y representación en el ábaco psicrométrico ............................................... 3

2. Cambio de la condición del aire .................................................................................................... 4

2.1 Calefacción del aire sin agregado de humedad.............................................................. 4

2.2 Calefacción con humidificación ............................................................................................. 5

2.3 Refrigeración a entalpía constante. Refrigeración adiabática ................................ 6

2.4 Refrigeración con contenido de humedad constante ................................................. 7

2.5 Refrigeración con dehumidificación ................................................................................... 7

3. Punto de rocío del aparato .............................................................................................................. 8

4. Factor de calor sensible .................................................................................................................... 9

5. Temperatura efectiva ..................................................................................................................... 13

5.1 Abaco de confort........................................................................................................................ 13

6. Análisis de la carga de acondicionamiento .......................................................................... 14

6.1 Clasificación de las cargas ..................................................................................................... 15

7. Condiciones de diseño .................................................................................................................... 16

8. Transmisión de calor en los edificios ...................................................................................... 17

9. Radiación solar .................................................................................................................................. 18

10. Calculo de cargas ............................................................................................................................... 19

11. Mezcla de aire ..................................................................................................................................... 22

12. Factor de paso .................................................................................................................................... 23

13. Solución de problemas y elección del equipo ..................................................................... 27

Tablas ................................................................................................................................................................... 35




1. Definiciones y representación en el ábaco psicrométrico

Temperatura de bulbo seco (BS)

Es la temperatura del aire leída en un termómetro común. Las temperaturas de bulbo

seco se representan como líneas verticales que tienen su origen en la escala de

temperaturas bulbo seco (eje horizontal).

Temperatura de bulbo húmedo (BH)

Es la temperatura leía en un termómetro cuyo bulbo está cubierto por una mecha

empapada de agua y que se revolea en el aire. Las temperaturas de bulbo húmedo se

representan por rectas que se originan en la línea de saturación y caen hacia abajo y la

derecha.

Temperatura de punto de rocío (PR)

Es la temperatura del aire en la condición de saturación o la temperatura a la que el

aire debe ser enfriado para que comience la condensación. En saturación, punto de

rocío = bulbo húmedo = bulbo seco. (PR=BH=BS).

Humedad específica (W)

Es el contenido real de agua en la atmosfera en gramo de vapor de agua por kilogramo

de aire seco.

Humedad relativa (HR)

Es la relación de la presión de vapor de agua en el aire a la presión de vapor saturado

a la misma temperatura.

Volumen específico (Vesp)

Es la recíproca de la densidad y se expresa en metro cúbico por kilogramo de aire

seco. Las líneas de volumen específico constante se originan en el eje de BS y suben

con ligera inclinación hacia la izquierda.

Entalpia (H)

Es una cantidad que indica el contenido de calor de la mezcla de aire y vapor de agua.

Se expresa en KCal por kilogramo de aire seco.




Sobre el ábaco psicrométrico se indican las siete propiedades conexas de la mezcla

aire y vapor de agua. Si se conocen dos cualesquiera de las propiedades, las otras

pueden obtenerse inmediatamente del ábaco.

Fig. 1 – Propiedades conexas de la mezcla aire y vapor de agua en el ábaco psicrométrico.

2. Cambio de la condición del aire Los procesos de calefacción, refrigeración, humidificación y dehumidificación que

tienen lugar en el acondicionamiento del aire modifican la condición del aire desde la

representada por el punto de estado inicial en el ábaco hasta una condición diferente,

representada por un segundo punto. Hay cinco distintos procesos posibles:

1. Proceso de calor sensible constante (indicados por una temperatura de bulbo

seco constante).

2. Procesos de calor latente constante (indicados por un contenido de humedad

constante y una temperatura de punto de rocío constante).

3. Procesos de entalpía constante o adiabáticos (indicados por una temperatura

de bulbo húmedo constante).

4. Procesos de humedad relativa constante (todos los demás factores varían).

5. Procesos que sean combinación de cualquiera de los anteriores.

2.1 Calefacción del aire sin agregado de humedad Este es un proceso de calor latente constante o un proceso de humedad especifica

constante, y la temperatura de punto de rocío permanece constante en él. Sólo calor




sensible se agrega al aire. Es el proceso que tiene lugar en los sistemas de calefacción

por gravedad o forzados cuando no están esquipados con humidificadores.

EJEMPLO: Se calienta aire, inicialmente a 1,5°C (BS), HR=70%, hasta 40 °C. Hallar BH,

PR y HR para el aire final y el calor agregado por kilogramo de aire.

Fig. 2.1 – Proceso de calefacción a humedad constante.

Solución:

Marcamos sobre el ábaco psicrométrico el estado inicial del aire (A)(ver fig. 2.1). Como

es un proceso a humedad constante, se sigue la línea horizontal hasta BS= 40 °C. Se

obtiene BH = 17,3 °C, PR = -3 °C, HR = 8%. Para hallar el contenido de calor tomamos

lectura de las entalpias de ambos estados H1= 2 Kcal/Kg y H2 = 12,1 Kcal/Kg. El calor

agregado será

2.2 Calefacción con humidificación

En este proceso se agrega por lo general la humedad suficiente para mantener la

humedad relativa entre el 40 y 50 por ciento en el espacio acondicionado.

EJEMPLO: Hay que calentar aire a BS = 5 °C, HR = 30% hasta 40°C, agregando

humedad necesaria para mantener la HR a 30% (proceso de HR constante). Hallar las

cantidades de calor y humedad que deben agregarse por kilogramo de aire.




Fig. 2.2 – Proceso de calefacción a humedad relativa constante.

Solución:

Determinamos el punto A de estado inicial con H1= 2,1 Kcal/Kg, W1= 1,6 gr/Kg.

Siguiendo la línea de HR = 30% hasta la intersección con BS = 40 °C, se obtiene el

punto B con H2= 18,6 KCal/Kg y W2= 14,1 gr/Kg.

2.3 Refrigeración a entalpía constante. Refrigeración adiabática Este proceso se desarrolla a lo largo de una línea de BH constante. Se lo aprovecha en

los lavadores de aire para los sistemas de ventilación y en los refrigeradores

evaporativos. Dado que el calor total es constante, solo puede haber refrigeración

sensible (disminución de la temperatura de BS) si aumenta el calor latente (el

contenido de humedad).

EJEMPLO: se hace pasar aire a BS = 40 °C y HR= 15% por un pulverizador de agua, del

que sale con HR = 90%. Suponiendo que el proceso es adiabático, hallar la nueva

temperatura BS y la cantidad de agua agregada por kilogramo de aire.




Fig. 2.3 – Refrigeración a entalpía constante. Se trata de un proceso

adiabático llamado frecuentemente refrigeración evaporativa.

Solución:

El punto de estado inicial A tiene HR = 15%, BS= 40°C, BH= 20,2 °C y W1= 6,8 gr/kg.

Entalpía constante significa que BH es constante, de modo que se sigue la línea BH

constante hasta HR = 90%. Se obtiene así el punto B sobre el ábaco, con propiedades

BS= 21,5 °C y W2= 14,6 gr/Kg.

2.4 Refrigeración con contenido de humedad constante

Este proceso es el inverso del de calefacción con humedad constante. El proceso

queda ilustrado desplazándose desde el punto B hacia el punto A de la Figura 2.1. Solo

se elimina calor sensible del aire, mientras no se alcance el punto de rocío. Este

proceso no puede realizarse mediante la refrigeración evaporativa, sino que se

necesita un refrigerante.

2.5 Refrigeración con deshumidificación

En este proceso primero se enfría la mezcla de aire y vapor de agua (se elimina calor

sensible) a lo largo de una línea de humedad absoluta constante hasta alcanzar la línea

de saturación (B). La posterior eliminación de calor resulta en la condensación del

vapor de agua, extrayéndose así agua del aire al mismo tiempo que sigue

reduciéndose la temperatura de BS (C). La refrigeración puede obtenerse haciendo

pasar aire a través de las aletas de un serpentín que contiene agua fría o de una lluvia

de agua pulverizada cuya temperatura está por debajo de la temperatura de punto de

rocía del aire que se requiere acondicionar.




EJEMPLO: El aire a BS= 40°C y HR= 60% pasa por un serpentín de refrigeración a

expansión directa y sale a 18°C saturado. Hallar las cantidades de calor y agua

extraídos por kilogramo de aire.

Fig. 2.4- Refrigeración con deshumidificación de aire

Solución:

La condición inicial está representada por el punto A en el ábaco, con propiedades

W1= 28,2 gr/Kg y H1= 27 Kcal/Kg. La primera fase del proceso es de refrigeración

sensible y se realiza sobre la línea AB de humedad constante. La segunda fase sigue la

línea de saturación hasta la temperatura de 18°C. El punto C queda definido con BS =

18°C, W2= 13,1 gr/Kg y H2= 12,5 Kcal/Kg. Nótese que BS=BH=PR.

3. Punto de rocío del aparato Como los serpentines de refrigeración no entran en contacto físico con todo el aire

que pasa por ellos, la temperatura de salida del aire no es tan baja como la del aparato.

Como consecuencia hablamos de: el punto de rocío del aparato y el punto de rocío del

aire. Las superficies de los serpentines deben mantenerse a una temperatura más baja

que la deseada para el aire de salida. En otros términos, el punto de rocío del aparato

será más bajo que el punto de rocío del aire.

Como punto de rocío del aparato puede definirse, prácticamente, la temperatura

media de la superficie del serpentín. En un deshumidificador por pulverización bien




diseñado, el punto de rocío del aparato es esencialmente igual al punto de rocío del

aire que sale de la cámara de pulverización.

4. Factor de calor sensible Supóngase que en un espacio acondicionado se requiere mantener cierta condición de

diseño, por ejemplo BS = 25 °C y HR = 50%. Las fugas de calor y de humedad hacia

dentro del espacio deben ser compensadas suministrando aire acondicionado al

espacio. Con el objeto de remover el calor sensible, el aire suministrado al espacio

debe ser más frío que la temperatura de diseño del espacio. Con el objetivo de

eliminar la humedad, el aire suministrado debe tener un punto de rocío menor que el

punto de rocío del espacio en la condición de diseño. Para mantener la condición de

diseño, en realidad, puede suministrarse al espacio acondicionado aire según una

variedad de condiciones en lo que hace a las posibles combinaciones de bulbo seco,

bulbo húmedo y caudal de aire. Si todas estas posibles combinaciones se calcularan,

sus puntos de estado en el ábaco psicrométrico se encontrarían sobre una línea recta

que se originaría en el punto de estado correspondiente a la condición de diseño del

espacio y cruzaría la línea de saturación por el punto de rocío del aparato. La

pendiente de esta línea de condición puede ser determinada sin dificultad en el ábaco.

El calor que el aire acondicionado debe extraer del espacio acondicionado comprende

calor sensible y calor latente del espacio. Para mantener la condición de diseño no es

simplemente suficiente extraer del espacio la misma cantidad de calor que la que gana

éste por hora. Deben extraerse las cantidades correctas de calor sensible y de calor

latente, y de ahí la importancia del punto de rocío del aparato y la línea de condición

del espacio.

La relación del calor sensible del espacio al calor total del espacio se llama factor de

calor sensible y puede expresarse en la forma:

donde Hs = ganancia de calor sensible por hora

HL = ganancia de calor latente por hora

Se puede comprobar que el factor de calor sensible de una habitación representa la

misma pendiente matemática que la línea de condición que une el punto de rocío de

aparato con el punto de estado de diseño de la habitación.




El ingeniero de aire acondicionado práctico determina el correcto punto de rocío de

aparato a partir del factor sensible y el ábaco psicométrico del siguiente modo:

Se comienza por decidir las condiciones de diseño de la habitación y se calculan las

cargas de calor sensible y de calor latente por hora en Kcal. Luego se calcula el factor

de calor sensible según la ecuación de FCS.

Obsérvese la escala de factor de calor sensible en el extremo derecho del ábaco. Su

punto de referencia es de 26,7 °C y HR 50%, una condición de diseño más o menos

normal para el confort. Se dibuja sobre el ábaco una línea que una el punto de

referencia con el FCS calculado. Se dibuja luego una segunda línea paralela a la línea

de referencia que pase por el punto de diseño, hasta cortar la línea de saturación. El

punto de intersección con la línea de saturación determina el punto de rocío de

aparato necesario.

EJEMPLO: Se desea acondicionar un espacio que tiene una ganancia total de calor de

9500 KCal/h, de las cuales 7500 KCal/h son de calor sensible. Se requiere mantener el

espacio a BS= 29,5 °C y RH= 40%. ¿Cuál es el punto de rocío de aparato necesario?

Fig. 3 – Determinación del punto de rocío de aparato, punto de rocío del aire y

la temperatura de salida del serpentín.

Solución:

Se dibuja una línea desde el puntos FCS = 0,79 hasta el punto de referencia (BS=26,7

°C y HR=50%). Se determina el punto de estado de diseño A (BS= 29,5 °C y RH= 40%)




en el ábaco. Se dibuja una línea que pasa por A, paralela a la línea de referencia, hasta

cortar la línea de saturación en B. Se lee el punto de rocío de aparato necesario 11 °C.

EJEMPLO: Un acondicionador de aire para invierno admite 40m3/min de aire

totalmente exterior a BS= 5 °C, HR= 80%. El aire se calienta, sin humidificación, hasta

45 °C. Hallar la HR del aire a la salida y la cantidad de calor necesaria en Kcal por hora.

Solución:

Situar la condición inicial en el ábaco y desplazarse horizontalmente hacia la derecha

(humedad constante) hasta la línea de BS= 45 °C. Estimar la HR, aproximadamente

7%.

Observar que la condición inicial representa un volumen específico de alrededor de

0,795 m3/kg. El caudal total de aire por hora es

En la condición inicial, leída en la escala de entalpía, H1= 3,8 Kcal/Kg. En la condición

final tiene H2= 14,1 Kcal/Kg. El calor necesario es

H = 3020 x (14,1-3,8) = 31.100Kcal/hora

EJEMPLO: Un acondicionador de aire para verano hace pasar 60 m3/min de aire

exterior por un serpentín refrigerador. La condición inicial del aire es BS= 35 °C, BH=

25,5 °C. El espacio acondicionado debe ser mantenido a 26,5 °C (BS) y 45% de HR. El

factor de calor sensible calculado es de 0,72. El aire sale del serpentín con una

saturación de 90%.

1. Hallar el punto de rocío de aparato, el punto de rocío del aire y la temperatura

del aire a la salida del serpentín

2. ¿Cuánto calor en Kcal/h extrae el aparato?

3. ¿Cuánta humedad, en litros, se extrae por condensación del aire, por hora?

Solución:

1. Determinar la pendiente de la línea de referencia desde FCS=0,72 hasta el punto

de referencia (BS=26,7 °C, HR=50%). Se dibuja una línea con igual pendiente que

pase por el punto de condición (BS=26,5 °C y HR=45%) y se extiende hasta cortar

la línea de saturación. Se lee el punto de rocío de aparato 8,6 °C. A partir del punto




en que la línea de condición corta la línea de HR=90%, se lee el punto de rocío del

aire 10,1 °C. También se lee, a partir del mismo punto, la temperatura de BS del

aire a la salida del serpentín 11,3 °C.

2 y 3. Para hallar la cantidad de aire que circula por hora, se lee el volumen específico

del aire de entrada

V esp = 0,888 m3/Kg aire de entrada

A partir de la condición inicial del aire (BS= 35 °C, BH= 25,5 °C), se obtiene H1= 19

Kcal/h y W1= 17 gr agua/Kg de aire seco.

A partir de la condición de salida del aire (BS= 11.3 °C, HR= 90%) se obtiene H2= 7,5

Kcal/h y W2= 7,5 gr agua/Kg aire seco.

La carga de enfriamiento de la unidad acondicionadora es H= 4050 Kg/h x(19-7,5) =

46.600 Kcal. Y la humedad condensada por hora es

EJEMPLO: Se desea mantener la temperatura BS = 26,7°C con un enfriador

evaporativo en una oficina en la que la ganancia total de calor es de 20.000 Kcal/hora,

totalmente sentible. Se utiliza, por supuesto, sólo aire exterior, y la condición exterior

de diseño es BS = 38 °C, HR = 20%. Si el diseño del enfriador evaporativo es tal que el

aire sale de él con el 90% de saturación, ¿qué capacidad de enfriador debe instalarse?

(La capacidad de los enfriadores evaporativos se da como la capacidad del soplador en

m3/min).

Solución:

Sitúe en el ábaco la condición de diseño exterior de BS = 38 °C, HR = 20%, se obtiene

W1=8,4 gr/Kg. Dado que el enfriamiento evaporativo es un proceso adiabático, se

sigue la línea de BH constante hasta la línea HR = 90%. Este segundo punto da el

estado del aire a la salida del evaporador, con BS = 22,2 °C, HR = 90%. Obsérvese que

H1 = H2 = 14,6 Kcal/Kg y W2= 15,2 gr/Kg.




Ahora bien, la ganancia de calor del espacio acondicionado debe ser absorbida por el

aire acondicionado. Como la ganancia de calor se ha supuesto totalmente sensible, el

siguiente proceso es de humedad absoluta constante. A partir de la condición de salida

del acondicionador, BS= 22,2 °C, HR= 90%, siguiendo la línea horizontal hacia la

derecha (humedad constante) hasta la línea BS= 26,7 °C. Observe que la condición del

espacio acondicionado será BS= 26,5 °C, HR= 69% y H3= 15,6 Kcal/Kg, volumen

especifico = 0,827 m3/Kg.

El calor removido por kilogramo de aire acondicionado circulado es H = H3 – H2= 1

Kcal/Kg y la capacidad del enfriamiento debe ser

Debe observarse que es necesario hacer circular una gran cantidad de aire con los

sistemas evaporativos y que la condición final en el espacio acondicionado es por lo

general una de alta humedad relativa.

5. Temperatura efectiva La temperatura efectiva es una medida del confort que involucra los efectos

combinados de la temperatura de bulbo seco, humedad relativa y movimiento del aire.

Se ha hallado que para una dada velocidad del aire, hay un número de combinaciones

diferentes de temperatura de bulbo seco y humedad relativa que dan la misma

sensación de confort. Todas estas combinaciones se clasifican como igual temperatura

efectiva.

5.1 Abaco de confort Es importante puntualizar las hipótesis en que se basa este ábaco:

1. Los sujetos vestidos normalmente para vida puertas adentro.

2. Los sujetos ocupados en actividades sólo ligeras: lectura, trabajo de oficina,

paseos ocasionales por la habitación.

La escala de temperaturas de bulbo seco es horizontal y la de bulbo húmedo es

vertical. Las líneas de humedad relativa con crecientes hacia la derecha. La curva

HR=100% es la línea de saturación. La estala de temperaturas efectivas está marcada

sobre la línea de saturación.




Fig. 4 – Ábaco de confort.

El ábaco de confort tiene limitaciones en cuanto a los valores frente a corrientes

considerables de aire y los efectos de la radiación. Para un correcto diseño de un

sistema de acondicionamiento es necesario determinar las demandas de refrigeración

y calefacción impuestas al sistema.

6. Análisis de la carga de acondicionamiento Para que sea posible diseñar un sistema de acondicionamiento de aire para invierno o

verano, es necesario determinar las demandas de refrigeración y calefacción

impuestas al sistema. En invierno, los edificios ceden continuamente calor al aire

exterior, mientras que en verano, el calor exterior penetra en el edificio.

La carga de acondicionamiento puede considerarse en dos partes: la carga de

refrigeración de verano y la carga de calefacción de invierno. La carga de refrigeración

de verano es el calor que debe ser removido por hora a fin de producir y mantener la

condición deseada en el espacio. A su vez, la carga de calefacción de invierno es la




cantidad de calor que debe ser suministrada por hora para lograr la condición

deseada.

6.1 Clasificación de las cargas

Los cálculos de la carga de refrigeración comprenden dos clases de ganancia de calor:

1. Calor sensible: entrando o produciéndose en el espacio, tiende a producir un

aumento de temperatura en el mismo.

2. Calor latente: en forma de humedad, aunque no produce un aumento de

temperatura, altera la condición del aire en el espacio aumentando la humedad

relativa.

Las ganancias de calor sensible incluyen:

1. Transmisión del calor a través de la estructura del edificio como resultado de la

conducción, convección y radiación.

2. Calor sensible traído por el aire exterior que se introduce con fines de

ventilación.

3. Calor sensible producido por los ocupantes del recinto.

4. Calor sensible producido en el espacio por las lámparas, los artefactos

domésticos, motores, etc.

5. Calor sensible que debe extraerse de materiales o productos que se introducen

en el espacio (acondicionamiento industrial).

Las ganancias de calor latente (humedad) incluyen:

1. Calor latente del aire exterior (introducido por para la ventilación o que se

infiltra en el espacio).

2. Calor latente cedido por los ocupantes.

3. Calor latente proveniente de la cocina, baños calientes u otros procesos de

evaporación en el espacio.

4. Calor latente de productos o materiales que se introducen en el espacio.

(obsérvese que aunque la carga de calor latente aumente como consecuencia

de la evaporación en los productos húmedos, la carga total no aumenta porque

la evaporación es un proceso adiabático. La ganancia de calor latente se hace a

expensas del calor sensible.)

La figura 5 muestra a modo de diagrama las fuentes y la naturaleza de algunos de

los componentes más importantes de las cargas de verano e invierno.

Una clasificación frecuentemente usada es la que se basa en la fuente del calor. Las

cargas pueden ser:




1. Externas: si provienen desde el exterior. Estas pueden ser sensibles o

latentes.

2. Internas: si se originan en el espacio acondicionado. Pueden ser sensibles o

latentes.

En el análisis de la carga de acondicionamiento no basta simplemente con determinar

la carga total. La carga total debe descomponerse en sensible y latente, exterior e

interior, con el fin de poder determinar las cantidades adecuadas de aire, utilizar

correctamente el ábaco psicométrico y elegir convenientemente el equipo de

refrigeración y dehumidificación. Se deben recordar las definiciones de punto de rocío

del aparato y de factor de calor sensible.

Fig. 5 – Componentes principales de las cargas de acondicionamiento de invierno y verano.

7. Condiciones de diseño

Como regla general, la mayoría de los ingenieros toman BS = 26.7 °C y HR = 50%

(temperatura efectiva de aproximadamente 23 °C) como condición de diseño interior

para el confort humano. La selección del equipo se hace sobre la base de que podrá

mantenerse esta condición excepto en los días más cálidos y mas húmedos.

En el acondicionamiento industrial, los requisitos son en general más rigurosos y la

elección del equipo debe basarse en la necesidad de mantener permanentemente la

condición de diseño interior fijada.




8. Transmisión de calor en los edificios El calor entra a los edificios por conducción, convección y radiación. En los casos

prácticos tenemos que ver más a menudo con la conducción de calor a través de de

p edes ec s de d s s e es e c p s “e se e”. d e p ese

su propia resistencia al flujo de calor.

Fig. 6 – Sección de una pared compuesta.

El Coeficiente global de transmisión de calor puede ser calculado expresando la

resistencia al flujo de calor de cada uno de los componentes de la pared. Entonces

Para la pared de la figura 6, el coeficiente global de transmisión de calor será

Donde 1/K = Resistencia de cualquier componente homogéneo, por metro de

espesor.

1/C = Resistencia de un material, homogéneo o no, de superficie a

superficie.

1/f = Resistencia superficial.

1/a = Resistencia del espacio de aire.




El calor fluye desde el aire a la superficie exterior de la pared y de la superficie

interior al aire interior, por radiación, convección y conducción. La conductancia

superficial será

Exterior, fo = 29 KCal/hora.m2.°C para viento de 25 Km/h

Interior, fi = 8 KCal/hora.m2.°C para aire en reposo.

Las conductividades y conductancias de los materiales más comunes se encuentran

tabuladas (ver Apéndice A).

La transferencia de calor será

EJEMPLO: Hallar la ganancia de calor por hora por transmisión a través de una pared

exterior de 4,4 x 6,60 m de la siguiente construcción: estuco sobre entablonado de

pino de 20mm, sobre tirantes de 50 x 100 mm, acabado interior yeso sobre metal

desplegado. La temperatura ambiente exterior es de 40°C y la temperatura interior de

26,5°C.

Solución:

Se calcula U usando los valores de la Tabla A-1 del apéndice,

valor que coincide con el dado en la Tabla A-2 directamente para esta construcción. El

calor será

9. Radiación solar La radiación solar que incide sobre vidrio tiene tres componentes, a saber: (1) la

porción mayor que es transmitida directamente al interior del edificio; (2) la porción

absorbida por el vidrio; y (3) la porción reflejada.

La suma de (1) y (2) contribuye a la ganancia total de calor en el espacio, y aunque la

radiación directa que atraviesa el vidrio debe ser primero absorbida por las paredes o

los muebles para que pueda manifestarse como calor del aire, es de práctica común

considerar esta ganancia de calor como instantánea.




La Tabla A-8 da las ganancias de calor a través de vidrios para ventanas simples de

hasta 3mm de espesor, para latitudes de 30 a 40°S, en pleno verano a nivel del mar.

Cuando existe un cortinado, toldos, persianas, etc., se aplica un factor de corrección

dado por la Tabla A-9.

EJEMPLO: Una ventana de 3,6 x 1,8 mira al oeste en una casa que esta a 30°S. Tiene un

marco de madera y persianas venecianas interiores (color claro al exterior y su hueco

externo de pared es normal. La temperatura exterior es de 35°C, la interior es de

26,5°C. Hallar la ganancia total de calor a través de esta ventana a las cuatro de la

tarde.

Solución:

Ganancia por radiación = 0,85x0,60x0,90x530x6,48= 1580 KCal/hora

Ganancia por conducción = 5,6x6,48x(35-26,5)= 307 KCal/hora

Ganancia total = 1580 + 307= 1887 KCal/hora

10. Calculo de cargas En aquellos trabajos de acondicionamiento que sólo interesa la refrigeración para el

confort, bastan métodos abreviados y aproximados. Estos son por lo general trabajos

de mediana capacidad (de 15 a 50 toneladas de refrigeración) y admiten cierta

flexibilidad en las especificaciones.

EJEMPLO: Calculo de la carga de refrigeración para un restaurante

El edificio cuenta ya con un sistema de calefacción satisfactorio. El sistema de

conductos para el acondicionamiento de verano se instalara en el ático. La figura ##

muestra un plano del edificio y da ciertos datos referentes al mismo. Las condiciones

generales son las siguientes:

Diseño exterior 40°C BS; 29°C BH

Ocupantes a las 18 120 clientes sentados, 10 empleados,

actividad media

Diseño interior 26,5°C BS; 50% de HR

Iluminación 7.500Watts

Situación Latitud 40°N

El código local exige 0,4 m3/min por persona de ventilación para los restaurantes, lo

que representa un total de 52 m3/min. Admitiendo dos cambies de aire por hora, se

tienen 62,5 m3/min, cifra que se adoptara como volumen de aire exterior.




Aunque la máxima concurrencia no se produce hasta las 18, la naturaleza del edificio

es tal que la carga solar de pico se produce entre las 15 y las 16, se trasfiere al espacio

acondicionado precisamente a esa hora. A las 18 pueden despreciarse los efectos de

radiación excepto a través de las superficies de vidrio que miran al oeste.

La ganancia de calor por ocupante incluye 15 KCal/hora por persona (7,5 KCal/h

sensible y 7,5 KCal/h) por la comida que se sirve.

Fig. 7 – Plano y datos adicionales para la refrigeración de verano de un restaurante. Las paredes

exteriores son de ladrillo de 20 cm, revestidas de yeso interiormente; las paredes interiores son de

ladillo de 10 cm. El saliente del techo, donde existe es de 1,80 m. La altura del cielorraso es de 3,5 m.

Ático ventilado bajo techo plano con 10 cm de lana mineral soplada sobre el total del cielorraso, el que

es de yeso acústico con metal desplegado. La experiencia indica que la temperatura del ático es de 60°C

a las 16 en las condiciones exteriores de diseño. El piso es de mosaicos asfalticos sobre la losa de

hormigón sobre el suelo. Se tomara la temperatura de la sala de maquinas, la cocina y las salas de

descanso como de 30°C. Estos espacios no son parte de la carga que debe calcularse.

La potencia motriz necesaria para el soplador observando que el volumen del espacio

(1860 m3) requiere alrededor de 230 m3/min para un cambio de aire cada 8 min. Con

un sistema de conductos bastante extenso para suministro y retorno, esta cantidad de

aire requería por lo menos un motor de 3 caballos, especificándose uno de 4 HP con

cierto margen de seguridad.




El aire en realidad necesario se calcula a partir del calor sensible con la fórmula que se

indica al pie del formulario de la figura 8, y resulta ser de 215 m3/min.

Fig. 8 – Estimación de la carga sobre la base de un formulario para ingenieros comerciales

Una vez completado el cálculo de la carga, se analiza el problema con el Abaco

psicométrico y se elige el equipo.




11. Mezcla de aire En la mayoría de los sistemas de aire acondicionado se introduce en el acondicionador

cierta cantidad de aire exterior a fin de satisfacer los requisitos de ventilación y dar

se s c ó de “ e f esc ”. Si el aire acondicionado se mezcla con aire que se halla en

otra condición, puede determinarse la condición de la mezcla mediante un análisis

psicrométrico (ver fig. 9). Supongamos que el punto A representa la condición del aire

de retorno y el punto O que representa la condición de aire exterior.

Dibujemos la línea AO que une estos dos puntos de estado. La condición de la mezcla

estará representada por un punto C de esta línea. La posición exacta del punto C

queda determinada por los pesos relativos del aire de retorno y del aire exterior que

se mezclan.

Fig. 9 – Análisis psicrométrico de la mezcla de aire. El punto C representa

la condición de la mezcla.

Sea MA= masa del aire de retorno

MO= masa del aire exterior

MC= MA + MO

tA= temperatura de bulbo seco del aire de retorno

tO= temperatura del bulbo seco del aire exterior

tC= temperatura de bulbo seco de la mezcla




Igualando los calores totales antes y después de la mezcla, y simplificando podemos

escribir

Una vez determinada la temperatura de bulbo seco de la mezcla, el punto C queda

definido por la intersección de la línea BS = tc con la recta AO.

EJEMPLO: Determinar la condición del aire precisamente antes de entrar en el

serpentín de refrigeración si se lo obtiene mezclando 200 m3/min de aire de retorno a

BS= 26,5°C y 40% de HR con 50m3 de aire exterior a BS= 40°C y BH= 29°C.

Solución:

El punto A queda determinado con BS= 26,5°C, HR= 40%, VespA= 0,86 m3/Kg. El punto

O queda definido con BS= 40°C, BH= 29°C, VespO= 0,915 m3/Kg.

Los caudales de masa serán

La temperatura de bulbo seco de la mezcla de aire será

Se sitúa el punto C sobre la recta AO donde esta corta la línea de BS= 29°C (ver fig. 9).

Se leen los valores de HR y BH de la mezcla. La condición de la mezcla es BS= 29°C,

BH= 19,6°C, HR=42,5%.

12. Factor de paso El aire que no llega a ponerse en contacto íntimo con las superficies metálicas frías no

c b de c d c ó y e esu d es c s u p c ó de e ub e “p s d de

” e se pe í . e e cue u “f c de p s ” e e e p de

refrigeración y dehumidificación y cuando se determina la cantidad de aire necesaria.




Un serpentín con un factor de paso de 0,66 significa que un 66% del aire pasa a través

del serpentín sin tocar la superficie fría y resulta ser una parte de la carga de la

habitación.

La temperatura del aire a la salida es mayor que la temperatura de punto de rocío de

aparato dado que una parte del aire no ha entrado en contacto con la superficie fría

del serpentín. La temperatura de salida del aire puede calcularse con la relación

Donde t1a : temperatura del aire a la salida del serpentín

tr: temperatura de entrada (espacio acondicionado) del aire suponiendo

el 100 por ciento de recirculación

Por otro lado, los fabricantes de serpentines proveen datos en forma de tablas o

gráficos sobre los factores de paso para cada tamaño y tipo de serpentín que ofrecen.

Fig. 10 – Factores de paso de serpentines de acondicionamiento con aletas




EJEMPLO: Se desea acondicionar un piso de oficinas. Se han hecho las siguientes

determinaciones:

Diseño exterior BS=34,5 °C; BH= 27,8 °C

Diseño interior BS= 25,5 °C; HR= 50%

Calor sensible del espacio acondicionado 37.500 Kcal/hora

Calor latente del espacio acondicionado 7.500 Kcal/hora

Ventilación (aire exterior) 57 m3/min

Se usara un serpentín de 4 filas, FDP = 0,19

Determinar

1. La temperatura de punto de rocío de aparato del espacio

2. La temperatura del aire a la salida del serpentín

3. La cantidad total de aire necesaria, en m3/min

4. La temperatura del aire a la entrada del serpentín (mezcla)

5. La temperatura de punto de rocío del serpentín

Solución:

1. Temperatura de punto de rocío de aparato del espacio

Se dibuja la línea de referencia desde FCS = 0,843 hasta el punto de referencia (BS=

26,5 °C, HR= 50%). Luego se dibuja la línea de condición con la misma pendiente

desde el punto de estado del aire en el espacio acondicionado hasta cortar la línea de

saturación. Se obtiene la temperatura de rocío de aparato del espacio, 12,8 °C.

2. Temperatura del aire a la salida del serpentín

Marcamos en el ábaco el punto en que la línea BS = 15,25 °C corta la línea de condición

del espacio acondicionado. Este es el punto L.

3. Cantidad de aire necesario

4. Temperatura de la mezcla de aire que entra al serpentín

Vesp del aire de retorno (punto A) = 0,86 m3/Kg




Vesp del aire exterior (punto O) = 0,905 m3/Kg

Cantidad de aire recirculado = 214-57= 157 m3/min

Los caudales de masa de aire son

La temperatura será

5. Temperatura de rocío de aparato del serpentín

Sobre la línea que une el punto de estado del espacio acondicionado con el pinto de

estado del aire exterior (AO) se marca el punto de intersección con la vertical BS = 28

°C. Este el punto C del diagrama. Desde este punto se traza una recta que pasa por L y

corta la curva de saturación en el punto X.

Se obtiene la temperatura de rocío de aparato del serpentín, 11,2 °C.

Fig. 11 – Representación grafica de la relación entre el punto de rocío de aparato

(PARA), factor de calor sensible (FCS) y factor de paso (FDP)




13. Solución de problemas y elección del equipo La resolución de un problema de aire acondicionado en lo que concierne al aire

acondicionado en sí, puede ser dividido en tres pasos:

1. Calculo de la carga y del factor de calor sensible.

2. Análisis en el ábaco psicométrico.

3. Selección del equipo adecuado.

Estos tres pasos deben cumplirse en el orden en que se los ha enunciado. A

continuación se resuelve un problema completo para ilustrar el diseño práctico de los

sistemas de aire acondicionado.

EJEMPLO: Se debe diseñar un sistema de aire acondicionado para verano destinado a

un comercio de prendas de vestir. Se dispone de la siguiente información:

Diseño exterior BS= 38 °C, BH= 25.5 °C

Diseño interior BS= 24.5 °C, HR=50%

Carga sensible

Calor sensible del espacio 66.250 Kcal/hora

Calor sensible del aire exterior 22.500 Kcal/hora

Calor sensible total 88.750 Kcal/hora

Carga latente

Calor latente del espacio 17.800 Kcal/hora

Calor latente del aire exterior 25.600 Kcal/hora

Calor latente total 43.400 Kcal/hora

Aire exterior para satisfacer los requisitos de ventilación 100m3/min

Las ganancias de calor de los conductos han sido incluídas en la determinación del

calor sensible interior.

Se utiliza un serpentín de expansión directa (Freón 12) que tiene un factor de paso

FDP = 0,084

1. Analizar el problema sobre el ábaco psicrométrico y determinar:

a. El factor de calor sensible FCS

b. El punto de rocío de aparato del espacio acondicionado

c. Temperatura del aire a la salida del serpentín

d. Cantidad de aire total requerida en m3/min

e. Temperatura del aire mezclado a la entrada del serpentín

f. Punto de rocío de aparato del serpentín




g. Humedad extraída en Kg/hora

2. Elegir el serpentín de expansión directa (DX) y determinar la potencia del

motor soplador.

Solución:

1. Análisis psicrométrico

a. Factor de calor sensible

b. Punto de rocío de aparato del espacio acondicionado.

Dibujamos la línea de referencia para FCS = 0,79 y el punto de referencia BS = 26,5 °C,

HR=50%, queda entonces definido el punto A. Trazamos una recta paralela a la línea

de referencia y determinamos el punto R, correspondiente al punto de rocío de

aparato del espacio acondicionado (PRA), 10,8 °C.

Esta sería la temperatura del aire a la salida del serpentín si el FDP fuera cero.

c. Temperatura del aire a la salida del serpentín

d. Cantidad total de aire necesaria, en m3/min

e. Temperatura del aire mezclado a la entrada del serpentín, tc.

Del ábaco psicrométrico tomamos las lecturas del volumen específico del aire

en ambos estados.

Vesp del aire de retorno = 0,832 m3/Kg




Vesp del aire exterior = 0,905 m3/Kg

Cantidad de aire recirculada = 310-100 = 210 m3/min

Se calculan la masa de aire de retorno MA y la masa de aire exterior MO

La temperatura de bulbo seco del aire mezclado a la entrada del serpentín será

f. Punto de rocío de aparato del serpentín.

En la parte c, la temperatura de salida del aire resultó ser de 11,9 °C. Marcamos el

punto L en el ábaco donde la vertical BS = 11,9 °C corta la línea de condición del

espacio acondicionado.

Marcamos el punto C en AO, donde la vertical BS = 29,5 °C corta la recta AO. Luego

trazamos una recta por C y L hasta cortar la línea de saturación en X. Se obtiene el

punto de rocío de aparato del serpentín 10,5 °C.

g. Humedad extraída, en Kg/hora.

El aire entra al serpentín en el estado C y sale en el estado L

Wc = 11,4 gr/Kg

WL = 8,2 gr/Kg

h. Toneladas de refrigeración




Se calculan las toneladas de refrigeración por dos métodos.

1. A partir del computo de carga

Carga total = Carga sensible + carga latente = 132.150 Kcal/hora

2. Comprobación por el calor extraído del aire en el serpentín. Según a, el aire

total a través del serpentín es de 310 m3/min cuya entalpia (punto de

estado C) es de 13,9 Kcal/Kg y sale del serpentín según el punto de estado

L, al que corresponde una entalpia de 7,8 Kcal/Kg.

Fig. 12 – Análisis psicrométrico del ejemplo.

2. Una vez analizada la psicrometría del problema, la selección de la unidad

refrigeradora, el serpentín de Freon-12, el soplador, y el motor para el soplador

se eligen de acuerdo con las especificaciones y tablas para selección de los

fabricantes.




Selección del serpentín según los datos del fabricante.

Los fabricantes de serpentines especifican el comportamiento de sus unidades en

términos de cierto de variables y factores de comportamiento. Estos incluyen:

1- Tipo de refrigerante utilizado y temperatura del refrigerante

2- Numero de filas de tubos y espaciado entre aletas

3- La velocidad del aire según la entrada del serpentín

4- La temperatura de BH del aire a la entrada

5- La superficie frontal del serpentín en m2

La Tabla 1 da las especificaciones de un serpentín de expansión directa tal como las

presenta un fabricante para una temperatura de evaporación de 45 °F (7,25°C) para

cierto rango de temperaturas de bulbo húmedo de entrada y velocidades.

En la figura 13 se muestra el comportamiento de un serpentín de cuatro filas, a 150

m/min de velocidad de aire con Freón-12. La figura 14 da los factores de corrección

que deben aplicarse para velocidades diferentes y otros números de filas en

profundidad. La Tabla 2 da los factores de depresión de bulbo húmedo para

serpentines de 3 a 8 filas en profundidad, con velocidades de 135 a 165 m/min.

El factor de depresión de bulbo húmedo es la relación de la depresión de bulbo

húmedo del aire de salida a la depresión de bulbo húmedo del aire a la entrada y se

usa para determinar la temperatura de bulbo seco del aire de salida.

Fig. 13 – Comportamiento de serpentines. Capacidad nominal total en toneladas.




Fig. 14 – Factor de corrección de velocidad y de filas de tubos en profundidad.

Tabla 1 – Regímenes de un serpentín de expansión directa

Según Acme Industries, Jackson, Mich.




Tabla 2 – Factores de depresión de bulbo húmedo

Según Acme Industries, Jackson, Mich.

EJEMPLO: Un serpentín de expansión directa (DX) para Freón 12 debe elegirse de

modo que cumpla las siguientes especificaciones:

Cantidad de aire 100 m3/min

Aire de entrada al serpentín BS= 28°C, BH= 20°C

Carga total 35.000 Kcal/hora

Carga sensible 24.150 Kcal/hora

Temperatura del refrigerante 7,25°C (45°F)

Área frontal del serpentín 0,64 m2 (6,9ft2)

Determinar la velocidad del aire, el número de filas requerido, la temperatura del aire

de salida y la capacidad en Kcal/hora que debe ser especificada para el serpentín.

Solución:

1- Determinar que el FCS es menor que 0,9, dado que los valores de la Tabla 1 se

aplican sólo para FCS= 0,9 como máximo.

Se puede utilizar la Tabla 1.

2- La cantidad de aire en pie cúbicos será

e c d d de e

3- Para entrar a la Tabla 1 hay que calcular la temperatura de BH en °F




Entrando a la tabla con este valor e interpolando entre los valores, se observa que un

serpentín de 6 filas produce aproximadamente 1,71 tonelada/pie2. Luego se debe

especificar esta profundidad.

4- La temperatura de bulbo húmedo de salida se lee directamente en la tabla en

°F. Es de 55°F (13,1°C).

5- La temperatura de bulbo seco de salida se determina por el método de la

depresión de bulbo húmedo:

BS de salida = BH de salida + (depresión inicial x factor)

Depresión inicial = BS de entrada – BH de entrada = 28 – 20 = 8°C

El factor se obtiene de la tabla con un serpentín de 6 filas y 525 pie/min de velocidad.

Factor = 0,105

BS de salida = 13,1 + (8x0,105)

6- Capacidad de enfriamiento sensible del serpentín

7- Capacidad total de enfriamiento del serpentín.

ton por pie2 x área frontal (pie2) = 1,74x6,9= 12 toneladas (contra 11,7

necesarias)

Bibliografía

1. Norman C. Harris, Equipos de aire acondicionado, Ed. Hispano Americana S.A.

1962.

2. W. P. Jones, Air conditioning engineering, Butterworth Heinemann, 2001.

3. Rex Miller and Mark R. Miller, Air conditioning and refrigeration, McGraw-Hill,

2006.




Apéndice A

Tablas




Tabla A-1. Conductividad (K) y conductancias (C) de materiales Unidades de K, KCal/hora.m2.°C/m

Unidades de C, KCal/hora.m2.°C/m por el espesor dado




Según HVAC Guide.




Tabla A-2. Coeficientes de transmisión U para paredes armadas (En KCal/hora.m2.°C Se desprecia el efecto de los tirantes)

Según HVAC Guide.




Tabla A-3. Coeficientes de transmisión U para paredes de mampostería (En KCal/hora.m2.°C)

Según HVAC Guide.




Tabla A-4. Coeficientes de transmisión U para tabiques armados (En KCal/hora.m2.°C)

Tabla A-5. Coeficientes de transmisión U para cielorrasos y pisos (En KCal/hora.m2.°C)

Según HVAC Guide.




Tabla A-6. Coeficientes de transmisión U para pisos de losa (En KCal/hora.m2.°C)

Tabla A-7. Coeficientes de transmisión U para ventanas y puertas (En KCal/hora.m2.°C)




Tabla A-8. Ganancia total de calor por radiación solar para vidrios de ventana,

desnudos, horizontales y con diversas orientaciones verticales (a nivel del mar)

Tabla A-9. Factor de corrección por condiciones de sombra sobre la ganancia de calor

por radiación solar

nociones generales sobre acondicionamiento de aire

Documents