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AIRE ACONDICIONADO Y REFRIGERACIÓN DEFINICIONES Y CONCEPTOS T,°F El calor es una forma de energía o de actividad molecular, y esta presente en cierto grado en todas las cosas. Calor sensible Cuanto más se calienta el material más rápido es el movimiento molecular 212 de la substancia o materia. El c...

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AIRE ACONDICIONADO Y REFRIGERACIÓN DEFINICIONES Y CONCEPTOS T,°F

El calor es una forma de energía o de actividad molecular, y esta presente en cierto grado en todas las cosas. Cuanto más se calienta el material más rápido es el movimiento molecular de la substancia o materia. El calor es suministrado a la tierra por los rayos del sol y se obtiene también oxidando o quemando materias combustibles.

Calor sensible

212 Fusión del hielo

Calor sensible

32 Calor latente

J N.m W J W

Js

16

W Btu 1.7306 m.!C hr.ft.!F 1.Btu 1.0351.kJ 1.Ton Re f . 12000 Btu hr

160

360

1310

Q, Btu/lb

1

Acondicionamiento de Aire. Es controlar la temperatura, circulación, humedad y pureza del aire que respiramos y en el que vivimos.

Frío Es la ausencia de calor en forma parcial, pues aunque extraigamos la mayor parte de calor que contiene un cuerpo o un espacio no es posible quitarle por ningún medio en calor natural. Calor Sensible Es el calor que se siente o se puede medir por lo que causa un cambio de temperatura en la substancia pero no causa un cambio de estado. La substancia en cualquiera de sus tres estados contiene calor sensible en algún grado siempre que su temperatura esté por encima del cero absoluto. Calor Latente Cuando se presenta un cambio de estado, la mayoría de las substancias tendrán un punto de fusión en la cuál ellas cambiarán de su estado sólido a líquido sin cambio de temperatura. En este si la substancia esta en un estado líquido y el calor se retira de ella la substancia se solidificará sin ninguna variación en su temperatura.

3

BALANCE TÉRMICO. Los conceptos que se deben analizar en el balance térmico son los siguientes: 1. 2. 3. 4.

Transmisión de calor a través de muros, puertas, ventanas techos, etc. Calor desprendido por las personas que ocupan el local. Alumbrado y equipo mecánico. Infiltración del aire exterior hacia el interior por los orificios de puertas o ventanas. 5. Efecto de los rayos solares sobre techos y paredes.

4

v - es la velocidad del aire en (mi/hr) f = h – coeficiente convectivo de transferencia de calor en (Btu/hr ft2 °F) ó (W/m K).

1) Transmisión de Calor.

2

Se da por los siguientes mecanismos: conducción, convección y radiación. Paredes Compuestas

En todos los casos en que exista un material que separe dos medios a diferente temperatura, siempre hay una transferencia de calor del cuerpo más caliente hacia el más frío a través del material que los separa obteniendose la cantidad de calor transmitida por la siguiente ecuación:

1 2

3

4 5

f1

f2 T4

T1

T3 T6 T1

A T5 T2

T2

Q

k

Q

x

L1

"kA

Q L

Q # dx o

QL Q

L2

L3

Muro

dT dx T2

"kA # dT T1

"kA (T2 " T1 ) kA (T2 " T1 ) L

Películas de Aire. Las paredes de los edificios separan al medio ambiente exterior del interior, circulando por el exterior el aire que siempre forma una película sobre dichas paredes la cuál es muy resistente al paso de calor siendo su espesor dependiente de la rugosidad de la pared y de la velocidad del viento habiéndose obtenido en forma experimental la llamada conductancia designada por “f” y determinada por las siguientes expresiones: f

1.6 $ 0.3v

f f

2.0 $ 0.4v 2.1 $ 0.5v

para paredes lisas, paredes respectivamente, donde:

Af1 %T1 " T3 &.......... ....T1 " T3

Q

k1A %T3 " T4 &..............T3 " T4 L1

Q L1 A k1

Q

k2A %T4 " T5 &..............T4 " T5 L2

Q L2 A k2

Q

k3A %T5 " T6 &..............T5 " T6 L3

Q L3 A k3

Q

Af 2 %T6 " T2 &.......... ....T6 " T2

tenemos que:

medianamente

5

rugosas

y

muy

Q1 A f1

Q

rugosas

6

Q 1 A f2

T1 " T2

,1 L L L 1) U ** $ 1 $ 2 $ 3 $ '' f k k k f 1 2 3 2 ( + 1

Q , 1 L1 L 2 L 3 1 ) * $ $ $ $ ' A *+ f1 k 1 k 2 k 3 f 2 '(

"1

, 1 L L 1 1) ** $ $ 2 $ 3 $ '' 1 6 0 78 . . k k f 2 3 2 ( +

"1

"1

, 1 L1 L 2 L 3 1 ) ** $ $ $ $ '' A %T1 " T2 & + f1 k 1 k 2 k 3 f 2 ( donde

Q

,1 L L L 1) U ** $ 1 $ 2 $ 3 $ '' f k k k f 2 1 3 2 ( + 1 quedando Q UA %T1 " T2 &

En el balance térmico, al hacer el cálculo de la transmisión de calor, de los diferentes locales, se deben tener en cuenta las siguientes recomendaciones:

"1

1.- Para muros que colindan con los locales no acondicionados, se considera que la temperatura media de este local es la media aritmética de la temperatura del local acondicionado y el aire exterior. 2.- Para pisos ubicados directamente sobre le terreno se sigue el mismo criterio anterior, solo para el invierno.

U – coeficiente de conductancia combinado.

Ejemplo:

Ejemplo: Una fabrica requiere en uno de sus proceso el empleo de un horno cuyas características se indican en la figura al realizar el análisis de costos, se determino que en las condiciones actuales, el importe del combustible empleado es excesivo por lo cuál se requiere reducir al 45% al valor actual para que dicho proceso sea económicamente conveniente. Determine la solución correcta:

-

Calcular la transmisión de calor del local que se muestra en la figura para mantener en su interior 20°C cuando el exterior se encuentra a 4°C.

30m 60

Ti=450 °F To=60 °F 1 Lt. de combustible tiene 2500 Btu= 35 ctvos. Rendimiento del horno es de 70% kmadera=0.78 Btu/hr ft2 °F por in. ktabique=5 Btu/hr ft2 °F por in. Kasbesto=0.3 Btu/hr ft2 °F por in.

50

To=4°C

Puerta 4x3 24°C

30 40

20°C

0.5

1.5

madera tabique asbesto

18°C

20°C

1.5

30

Ti

No acondicionada

1.5m

To

Planta

Elevación

Q 2m

20m

1.- Determinar los coeficientes totales de transferencia de calor: 7

8

UA/T

Ume

0.5Btu / hrft 2 !F

Q

w m1

0.4

1 ) , 0.4%60x3.5&* '%68 " 53.6& 2 + 0.3048 ( Q 13020Btu / hr 3.- Cálculo de ganancias de calor: - Muro interior Q UA/T

Ur

1.13

UT

0.4

Upuerta

Q

0.13

Upl

0.35

Tm

12!C

53.6!F

2.- Determinar las pérdidas de calor: - Muro exterior

Q -

Q

UA/T

Q

%0.5&-%100x3.5& " (1.5x80).,*

1 ) '%68 " 39.2& 2 + 0.3048 (

Q Q Q Q Q

0.13

Q PT

p g

388737 4084 384653Btu / hr

2) Las cantidades medias para personas adultas experimentalmente las cuales se presentan a continuación:

UA/T 1 , 0.4%30 x 40 &* 2 + 0.3048 148800Btu / hr

12 %75.2 " 68& 0.3048 2 121Btu / hr

Q

6Q 6Q

5 1 2 1.13%1.5x80&3 0 %68 " 39.2& 4 0.0925 1 Q v 42036Btu / hr - Techo Qv

Q

puerta

Q

Q 35650.07Btu / hr - Por ventanas

Q

1 , ) 0.4-%3.5x 40 & " %4x3&.* '%75.2 " 68& 2 + 0.3048 ( 3963Btu / hr

Q

) '%68 " 39.2 & (

se

obtuvieron

CANTIDADES DESPRENDIDAS DE CALOR POR PERSONA. Tipo de actividad Sentados, sin trabajo manual (Escuelas, iglesias, bibliotecas, etc.) Sentados con poco trabajo manual (Secretarias, ensambladores, etc.) De pie, con ligero trabajo manual (Torneros, vigilantes de campo) Caminando ligeramente (Empleados de tiendas, bancos, etc.) Caminando lento pero constante (Supervisores, meseros) Trabajo manual,

UA/T 1 ) , 0.4%30x 40 &* '%68 " 64.4& 2 + 0.3048 ( 18600Btu / hr Piso UA/T

1 , ) 0.35%60 x 40&* '%68 " 53.6 & 2 + 0.3048 ( Q 130200Btu / hr - Muro interior Q

9

Calor sensible (Btu/hr)

Calor latente (Btu/hr)

Total (Btu/hr)

200

130

330

215

135

350

215

185

400

220

230

450

220

280

500

240

510

750

10

ejercicio ligero. Trabajo medio, deporte medio, baile medio. Trabajo pesado, deportes.

330

670

1000

500

1500

2000

2) Alumbrado y Equipo Las lámparas usuales en el alumbrado son fuentes de calor que transforman casi toda la energía eléctrica que consumen en calor y que se calcula por la siguiente ecuación: Q= 3.415 w (Btu/hr)

1 W= 3.415 Btu/hr

Para que el equipo que opera con resistencias eléctricas como estufas, parrillas, tostadores, cafeteras, etc., se usa la misma ecuación anterior.

- Tres muros exteriores - Más de tres muros exteriores

Los valores inferiores son para construcción de primera calidad y los máximos para construcción regular. Generalmente la experiencia nos dice que no es necesario calcular la pérdida de calor por infiltraciones, pues el acondicionamiento de aire de un local indica el control de las características del aire que debe tener para ser introducido al local, de tal manera que el aire inyectado que salga por los orificios de puertas y ventanas como se ha visto es en cantidades pequeñas. Una solución práctica es inyectar un tanto por ciento más del necesario según cálculos y este dependerá de las puertas y ventanas del local. Sin embargo para dar una mejor idea de la solución teórica del problema se propone lo siguiente: -

Si el volumen de la infiltraciones se expresa en función del número de renovaciones, las pérdidas del calor se calculan como sigue:

Para máquinas que trabajan con motores eléctricos, se deben tomar en cuenta que si la máquina y el motor que la acciona, están dentro del local por acondicionar, Q se calcula como: Q= HP/7 (746*3.415) (Btu/hr)

1HP= 746 W

Si la máquina esta dentro del local y el motor afuera entonces: Q= HP (2547.6) (Btu/hr) Si el motor esta dentro del local y la máquina afuera: Q= (HP/7 - HP) 2547.6 (Btu/hr) 3) Infiltraciones. Para el cálculo de la cantidad de calor que gana o pierde el local por el aire exterior que penetra al mismo por los orificios de puertas o ventanas el calor se determina por: Q= m Cp /T

(Btu/hr)

Es muy difícil determinar en forma analítica la cantidad de aire que entra al local por los orificios. De ahí que se ha obtenido experimentalmente el número de veces que se renueva el volumen del local en una hora encontrándose los siguientes valores: Locales con puertas y/o ventanas. Cambios/hr 0.75 – 1 0.5 1 – 1.5

- En un muro exterior - Sin puertas o ventanas al exterior - En dos muros exteriores 11

1.5 – 2 2–3

Hs

c %T " To &n 55.2

Donde: Hs – calor necesario por hora para compensar las pérdidas por infiltraciones (Btu/hr) c – es el volumen del local en (ft3) n – número de renovaciones de aire por hora T – temperatura del local en °F To – temperatura del aire exterior 4) Efecto Solar. Los rayos solares cuando inciden sobre los muros o techos de los locales calientan su superficie que ocasiona una transferencia de calor hacia el interior del local. La radiación solar alcanza su máximo entre tres y cinco de la tarde dependiendo de la situación geográfica del local. El calculo analítico de este efecto requiere del conocimiento de algunas magnitudes que no se obtienen en forma correcta, por lo que se han aplicado métodos prácticos experimentados que dan una buena aproximación de la cantidad de calor. La diferencia de temperaturas recomendadas para climas templados y colores claros son los siguientes: - para muros orientados al oriente - para muros orientados al poniente - para techos horizontales - para ventanas al oriente

15°F 30°F 40°F 30°F 12

- para ventanas al poniente - para tragaluces horizontales

1. TRANSMISIÓN DE CALOR POR MUROS, PUERTAS Y VENTANAS.

50°F 60°F

Para climas calurosos aumentar hasta un 50% a los valores anteriores y para muros y techos obscuros aumentar de 20% a 30%. Para muros o ventanas al sur se puede tomar hasta un 80% de los valores para el oriente. Realizar el balance de térmico para el verano del local cuyas dimensiones se muestran en el diagrama. La temperatura exterior es de 35°C, la temperatura interior es de 22°C, la temperatura del local A es de 22°C. el número de clientes es de 90, el número de empleados es de 15 y el consumo de corriente eléctrica es de 12 kW y por equipo 10 kW.

Q Q Q Q

UT

0.35

Q

UMI

0.3

-

UPyV

0.45

UP

0.4

To

35!C

95!F

Ti

22!C

71.6!F

TA

22!C

No clientes

Tcocina TLno "acon

N 20m

0.5

15

Alumbrado

Tcocina

2

90

No empleados equipo

“A” 0.5

71.6!F

12kW

28.5!C

5 1 2 0.45-%70x0.5& $ %66x0.5&.3 0 %95 " 71.6& 4 0.0928 1 7704.6Btu / hr VENTANAS Y PUERTAS , 1 ) 1.13-%70x 2& $ %4x0.5&.* '%95 " 71.6& + 0.0928 ( 40175Btu / hr

, 1 ) Q 0.3-3 x15.* '%97.7 " 71.6& + 0.0928 ( Q 3770 Btu / hr

-

30m

10kW To $ Ti 35 $ 22 $8 $8 2 2 36.5!C 97.7!F

UA/T

MURO INTERIOR , 1 ) Q 0.3-3 x15.* '%83.3 " 71.6& + 0.0928 ( Q 1690 Btu / hr y

1.13

UME

MURO EXTERIOR

15m

Qt

15m

Qt

83.3!F

TECHO , 1 ) 0.35 * %30 * 20& * * ' * %83.3 " 71.6 & + 0.0928 ( 26476.3Btu / h

QTC

6Q

QTC

79815.9 Btu / hr

N

TL " A " 8 83.3!F T=22°C

30m

13

14

7704.6 $ 40175 $ 5460 $ 26476.3

2. CALCULO DEL CALOR DESPRENDIDO POR LAS PERSONAS

diferencias dadas en °F no se puedan agregar hasta 50% pues andamos en los 35°C dándose solo un 15% más:

El momento más desfavorable se tiene cuando el restaurante esta lleno 90 clientes x 200Btu/hr=18000Btu/hr 15 empleados x 220Btu/hr=3300Btu/hr QT=21300 Btu/hr Nota: - El único calor desprendido por las personas es el calor latente - El calor desprendido por los alimentos es considerado en la temperatura de la cocina 3. CALCULO DEL CALOR DESPRENDIDO POR EL ALUMBRADO Y EQUIPO , 10 3 ), 3.415Btu / hr ) ''* Alumbrado = 12 kW ** ' 40980Btu / hr 1W ( + 1kW (+ , 10 3 ), 3.415Btu / hr ) ''* Equipo=10kW ** ' 34150Btu / hr 1W ( + 1kW (+

Nota: el caso más desfavorable para verano será entre las 15 y 17 horas que es cuando el alumbrado esta fuera de servicio por lo que su calor desprendido por este se desprecie entonces:. Q =34150Btu/hr

Qs=31306 Btu/hr BALANCE TERMICO PARA VERANO Ganado Perdido Btu/h Btu/h 1.- Calor por transmisión 79816 2.- Calor debido a personas 21300 3.- Alumbrado 34150 4.- Efecto Solar 31306 TOTAL 166572 CALOR QUE DEBE REMOVER EL EQUIPO 166572 0

QT

6Q

MISMO EDIFICIO PERO EN INVIERNO To=0°C=32°F Ti=20°C=68°F TA=68°F TLNA=50°F

4. CALCULO DEL CALOR GANADO POR EL EFECTO SOLAR.

1. CALCULO DEL CALOR PERDIDO POR TRANSMISIÓN

Para la hora más desfavorable de 15 a 17 horas el sol por su ubicación ilumina de frente los ventanales del lado poniente.

-

-

Q Q -

Q Q

Q

PARA VENTANAS

Q

, 1 ) 1.13%20x 2 &* '%50x1.15& + 0.0928 ( 27965Btu / hr

MUROS , 1 ) 0.45%70 x0.5 $ 66 x0.5&* '%32 " 68& + 0.0932 ( "11820 Btu / hr

PUERTAS Y VENTANAS , 1 ) Q 1.13%70 x 2 $ 4 x0.5&* '%32 " 68& + 0.0932 ( Q "61980 Btu / hr

-

PARA MURO

, 1 ) 0.45%20x1&* '%30x1.15& + 0.0928 ( 3341Btu / hr

-

Q

Se tiene en cuenta que 32°C es el límite de las temperaturas templadas dando paso a los climas calurosos que se consideran hasta 40°C, de ahí que las 15

Q

MURO INTERIOR , 1 ) 0.3%3x30 &* '%50 " 68& + 0.0932 ( "5215 Btu / hr

16

TOTAL Btu/h

166572

166572 Btu / hr

-

Q Q -

Q Q

PSICROMETRIA

TECHO

El aire es una mezcla de gases la cuál esta compuesta por: Ni 78.03% en volumen O 20.99% en volumen Ar 0.94% en volumen 0.03% en volumen CO2 H 0.01% en volumen Ne 0.00123 ppm He 0.0004 ppm Kr 0.00005 ppm Xe 0.000006 ppm

, 1 ) 0.35%20 x30 &* '%50 " 68& + 0.0932 ( "40558Btu / hr PISO , 1 ) 0.45%600 &* '%50 " 68& + 0.0928 ( "52371Btu / hr

Los primeros elementos son los llamados componentes normales, siendo los únicos que se toman en cuenta para cálculos correspondientes. El aire es un compuesto higroscópico ya que puede tomar agua de cualquier elemento que lo contenga, también la capacidad de absorción del agua por el aire dependerá solo de la cantidad de calor que este contenga: 2. CALOR GANADO DEBIDO A PERSONAS

Aire Seco. Es el que no tiene vapor de agua mezclado. Aire Saturado. Es el que contiene el peso máximo posible de vapor de agua en suspensión. Aire Húmedo. Es el que se encuentra entre los dos estados límites anteriores.

Q= 15 personas x 200Btu/hr = 3000Btu/hr 3. ALUMBRADO Y EQUIPO Q=40980Btu/hr

La capacidad del aire para absorber vapor de agua depende sólo de su calor sensible.

solo por alumbrado

BALANCE TERMICO PARA INVIERNO Ganado Perdido Btu/h Btu/h 1.- Calor por transmisión -171944 2.- Calor debido a personas 3000 3.- Alumbrado 40980 TOTAL 43980 -171944 CALOR QUE DEBE AGREGAR EL EQUIPO

TOTAL Btu/h

En el aire saturado, el vapor de agua se encuentra así mismo al estado de saturación y en el aire húmedo, el vapor de agua contenido en el se encuentra sobrecalentado. Humedad Absoluta específica del aire. Es la cantidad de vapor de agua que contiene dicho aire.

-127964 -127964

Humedad Relativa. Es la relación de la presión del vapor de agua a la presión del aire saturada a la misma temperatura o también es la relación de peso de vapor de agua contenido en el aire al peso del que existe en idénticas condiciones de temperatura y volumen, cuando el aire esta saturado. W = libras de vapor de agua/ libras de aire seco

Y el calor total es: QT

6Q

"127964 Btu / hr

(Humedad específica)

9 = Humedad relativa (%) 1 Lb de vapor de agua = 7000 granos Cuando el aire esta lejos de su punto de saturación se pone en contacto con el agua, se da la tendencia a que parte del agua se evapora incorporándose al contenido de agua que posea el aire bajo estas condiciones. Si para este caso no se comunica calor del exterior, el absorbido ...