DiseÑo Y Modelado DE UNA Unidad Manejadora PDF

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PASO A PASO DEL PROCESO DE Y MODELADO DE UNA UNIDAD MANEJADORA BAYRON MORA 2123565 SERGIO ANDRES RODRIGUEZ CUBILLOS 2113542 ALVARO ENRIQUE RODRIGUEZ MURILLO 2113638 SISTEMAS OMAR ARMANDO GELVES AROCHA Msc. ING. UNIVERSIDAD INDUSTRIAL DE SANTANDER FACULTAD DE INGENIERIAS ESCUELA DE BUCARAMANGA 2017 1...

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ANÁLISIS PASO A PASO DEL PROCESO DE DISEÑO Y MODELADO DE UNA UNIDAD MANEJADORA

BAYRON MORA LIÑAN

2123565

SERGIO ANDRES RODRIGUEZ CUBILLOS

2113542

ALVARO ENRIQUE RODRIGUEZ MURILLO

2113638

SISTEMAS TÉRMICOS OMAR ARMANDO GELVES AROCHA Msc. ING. MECÁNICO

UNIVERSIDAD INDUSTRIAL DE SANTANDER FACULTAD DE INGENIERIAS FISICOMECÁNICAS ESCUELA DE INGENIERÍA MECÁNICA BUCARAMANGA 2017

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CONTENIDO 1.

INTRODUCCION.....................................................................................................................2

2.

OBJETIVOS.............................................................................................................................3

3.

2.1.

Objetivo general.............................................................................................................4

2.2.

Objetivos específicos...................................................................................................4

MARCO TEÓRICO.................................................................................................................4 3.1.

¿Qué son las manejadoras de aire?.........................................................................5

3.1.1.

Entrada de aire exterior:......................................................................................5

3.1.2.

Los Filtros:..............................................................................................................6

3.1.3.

Ventilador:...............................................................................................................6

3.1.4.

Instalación...............................................................................................................6

3.1.5.

Los humidificadores:............................................................................................6

3.1.6.

Recuperadores de calor.......................................................................................6

4.

DESARROLLO DEL PROBLEMA.......................................................................................8

5.

CALCULO DE LA GEOMETRÍA DE LA UNIDAD MANEJADORA................................8 5.1.

DATOS GEOMETRÍCOS DE ENTRADA.....................................................................8

5.2. CALCULO DE LAS PROPIEDADES TERMICAS DE LOS FLUIDOS DE LA (UM). 10

6.

5.3.

CÁLCULO DEL COEFICIENTE DE CONVECCIÓN PARA EL AIRE...................10

5.4.

CÁLCULO DE LAS PROPIEDADES DEL REFRIGERANTE................................11

5.5.

CARACTERIZACIÓN DE UNA UNIDAD MANEJADORA......................................13

RESULTADOS A LA SOLUCIÓN EES..............................................................................14 6.1.

CÁLCULO DE CALOR LATENTE Y CALOR SENSIBLE......................................16

7. ANÁLISIS DE LA UNIDAD MANEJADORA (QL,QS) A LA VARIACION DE DISTINTOS TIPOS DE VALORES.............................................................................................17 7.1.

Variación del flujo másico.........................................................................................17

7.2.

Variación de la temperatura de evaporación........................................................19

7.3.

Variación de la temperatura de bulbo húmedo....................................................21

8.

ANALISIS DE GRAFICAS Y CONCLUSIONES...............................................................23

9.

BIBLIOGRAFÍA.....................................................................................................................24

2

1. INTRODUCCION

Las unidades enfriadoras y deshumidificadoras, conocidas como unidades manejadoras,

son

un

sistema

térmico

utilizado

en

la

refrigeración

y

acondicionamiento de locales; estos elementos se analizan utilizando los principios

de

termodinámica

y

transferencia

de

calor.

El

principio

de

funcionamiento consiste en un fluido a refrigerar que se desplaza a través de un serpentín, y cede su calor a un fluido refrigerante que se encuentra a una menor temperatura; dependiendo de la temperatura del fluido refrigerante puede presentarse condensación sobre la superficie del serpentín, disminuyendo así las condiciones de humedad del local o recinto a acondicionar. Existe también un método de enfriamiento en el cual el refrigerante usado, disminuye la temperatura de agua que a su vez actúa como refrigerante para el aire que se requiere en un proceso o local. En esta práctica consta en realizar el diseño de una de estas unidades manejadoras con determinados parámetros y condiciones de funcionamiento, al mismo tiempo evaluaremos con los conocimientos adquiridos en el curso este diseño.

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2. OBJETIVOS

2.1.

Objetivo general

 Desarrollar un programa en EES para realizar mediante la utilización de dos bloques conceptuales el diseño de una unidad manejadora, que muestre el calor sensible y el calor latente transferido por dicha unidad bajo distintos escenarios de cálculo.

2.2.

Objetivos específicos

 Determinar la geometría de la unidad manejadora.  Cálculo de los coeficientes, externo e interno de la unidad manejadora.  Determinar el calor sensible y calor latente  Evaluar

el

programa

desarrollado

cambiando

condiciones

de

los

escenarios.  Variar solo el flujo másico de aire  Variar solo la temperatura de bulbo húmedo del aire a la entrada  Variar la profundidad del evaporador (número de filas cruzadas por el aire L3=Nfilas*St).

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3. MARCO TEÓRICO

3.1.

¿Qué son las manejadoras de aire?

Las manejadoras de aire también son conocidas como “climatizadores”, son aparatos fundamentales para el tratamiento del aire en las instalaciones de aire acondicionado. Las manejadoras de aire no producen ni frío ni calor y tienen como objetivo principal mantener caudales de aire sometidos a un régimen de temperatura preestablecidas. Además, se encarga de mantener la humedad dentro de los valores apropiados, así como también se encarga de filtrar el aire y recuperar energía para conseguir condiciones óptimas en cada una de las estancias de funcionamiento. Las manejadoras de aire constan de las siguientes partes:

     

Entrada de aire exterior Un filtro Un ventilador Uno o dos intercambiadores de calor Un humidificador Un separador de gotas

3.1.1. Entrada de aire exterior: Es la entrada que permite el ingreso del aire que va a ser tratado en la climatización. Este aire por medio del ventilador se encarga de hacer la renovación de aire, del que falte por utilizarse en el proceso de climatización. Por otra parte se habla de un Aire mezclado, este es el caudal de aire que transporta la energía térmica insipiente en la operación de ventilado, Es el aire que se retoma de los recintos (aire tratado), el cual muchas veces se utiliza con el aire que ingresa del 5

exterior para aprovechar la energía presente y hacer el proceso de climatización de la manera más adecuada y eficiente, obviamente con el fin de tener el mejor confort a la hora del funcionamiento del sistema de climatización.

3.1.2. Los Filtros: Los filtros de aire retienen las partículas en suspensión mejorando la calidad de aire a impulsar. El tipo de filtro varía conforme sean las exigencias de pureza. A modo de ejemplo, no es lo mismo el aire que puede circular por un edificio de oficinas que el de un hospital, y éste es distinto también al de un pabellón quirúrgico. De esta manera, y a mayor exigencia en la labor de filtrado del aire, no solo se debe limpiar el aire de partículas de distintos tamaños sino también eliminar microorganismos con la adición de filtros especiales como los filtros electrostáticos y los de carbón activo para la eliminación de olores. 3.1.3. Ventilador: Equipo mecánico que asegura el intercambio de gases, a través del proceso de impulso causado por el caudal desplazado por medio de las aspas contenidas, hay una gran variedad de ventiladores al igual que distintos. 3.1.4. Instalación. En los climatizadores puede haber dos ventiladores: uno para la impulsión del aire hacia los locales y otro de retorno en la entrada del aire al climatizador, para vencer las cargas de los circuitos de retorno. A menudo solo hay uno, el de impulsión. Si bien es cierto que los ventiladores axiales son los que generan mayor caudal de aire, su configuración física y bajo par motor los deja por debajo de los ventiladores centrífugos (a veces llamados sirocos) cuya capacidad de dar mayor presión estática los convierte en adecuados para este tipo de equipos, ya que el aire debe circular a través de los filtros, baterías de frío y calor y redes de conductos, en los que sufre pérdidas de presión, hasta los distintos difusores del sistema. 3.1.5. Los humidificadores: Los humidificadores de vapor frío (de mecha) dispersan de manera suave un vapor frío e invisible por el aire. El aire seco entra dentro del sistema y pasa a través de un filtro de mecha saturada.

3.1.6. Recuperadores de calor.

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Aunque no es parte de los climatizadores, sino de la instalación en general, como es importante para el ahorro energético, se describen aquí. Como es sabido, es necesario ventilar las viviendas, locales comerciales, oficinas, etc., pero cuando la temperatura exterior ronda los 0ºC o menos, calentar el aire hasta los 21ºC exige mucha energía; para mejorar el proceso existe el recuperador de calor (o recuperador de energía), un aparato que aprovecha el calor del aire expulsado para precalentar el aire que se tratará en el climatizador y luego se introduce en los locales. Cuando se ventila un local en invierno normalmente existe una extracción y un aporte de aire, por lo tanto se “tira” aire caliente a la calle y se sustituye por aire frío que se toma del exterior, dando un trabajo extra al sistema de calefacción. Si se usa un recuperador de calor la cosa cambia, el aire que se extrae del local, antes de “tirarlo” a la calle se hace pasar por un intercambiador donde cede parte de su calor al aire que entra del exterior. En el verano cuando funciona el sistema de refrigeración también existe una “recuperación de frío” con el mismo sistema, y por lo tanto se ahorra energía/dinero durante todo el año. Es importante destacar que en el recuperador de calor no existe intercambio de aire, solamente de calor. Las manejadoras de aire o los “climatizadores” son capaces de cubrir los tres parámetros elementales de la calidad del aire acondicionado, que son los siguientes:

1. Renovación y limpieza del aire 2. Control de la temperatura. 3. La humedad relativa adecuada.

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4. DESARROLLO DEL PROBLEMA En este trabajo se va a diseñar y parametrizar una unidad manejadora de aire mediante la determinación de las variables que describen su funcionamiento a través de varios escenarios partiendo de variables geométricas base. Para esto se realiza el cálculo de las propiedades geométricas, físicas y térmicas de los fluidos usados por medio de lo aprendido en el curso de sistemas térmicos. Posteriormente se realiza un análisis paramétrico de QL Y QS dependiendo del flujo másico, la temperatura de bulbo húmedo y la temperatura de evaporación.

5. CALCULO DE LA GEOMETRÍA DE LA UNIDAD MANEJADORA

5.1.

DATOS GEOMETRÍCOS DE ENTRADA

Nfilas= 8 %Número de Filas de tubos NTF= 12 %Número de Tubos por Fila Nf= 0,35 %Número total de aletas/m Yf= 0,2 %Espesor de aleta St= L3/NTF %Paso transversal 8

Sl= L2/Nfilas %Paso Longitudinal entre filas de tubos L_t=750/1000 %Longitud de tubo D_o= 16,51/1000 %Diámetro exterior de los tubos Di= 13,97/1000 %Diámetro interno de los tubos L2= 95/1000 % Altura de la sección transversal del evaporador L3= Nfilas*St= 510/1000 % profundidad del evaporador A continuación con relación a los datos suministrados, se inicia con el cálculo de la geometría necesaria para hacer el respectivo análisis a la unidad manejadora, todos estos determinados en base al libro fundamental of heat exchanger desing”, dado como guía para el desarrollo del trabajo.

En este momento se puede calcular el área mínima con la cual se busca calcular el Reynolds máximo que se empleará en el cálculo de transferencia de energía a través del método de convección. ÁREA DE BLOQUEO “ALETAS”

En base al criterio para determinar las constantes “cu”:  Si au2*bu. Entonces cu = 2*bu Para el programa en desarrollo el valor es “cu = 2*bu” y se cálcula el valor del área minima:

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5.2.

CALCULO DE LAS PROPIEDADES TERMICAS DE LOS FLUIDOS DE LA (UM).

Posterior a esto se supone el valor de (TA2; Prima=15).

5.3.

CÁLCULO DEL COEFICIENTE DE CONVECCIÓN PARA EL AIRE

En este cálculo se obtienen los valores para el flujo másico del aire, el número de Reynolds, número de nussel del aire al igual que el coeficiente de convección del aire.

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5.4.

CÁLCULO DE LAS PROPIEDADES DEL REFRIGERANTE

Datos del refrigerante.

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Para la calidad del aire asumimos una calidad de x=0,3 o que es lo mismo del 30% por ciento. Con el fin de determinar el número de Reynolds, número de Froude, número de evaporación, flujo de calor por unidad de área, ya con la geometría de la unidad manejadora, se hace la caracterización. Ahora se debe encontrar el calor latente como el sensible de la unidad, para luego comprobar si la temperatura de salida que se asumió sea correcta o si es el caso se ajusta.

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5.5.

CARACTERIZACIÓN DE UNA UNIDAD MANEJADORA

Aquí se procederá a determinar el calor total de la unidad manejadora, el cálculo de la entalpias, media logarítmica, superficiales, constantes de serpentines, eficiencia y finalmente el calor de verificación.

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6. RESULTADOS A LA SOLUCIÓN EES

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Los primeros resultados arrojados con el cálculo de la temperatura asumida.

ANALISIS: Es evidente la variación que hay entre el valor del calor total de la unidad manejadora y el calor total de verificación, esto quieres decir que la temperatura asumida está mal, llevando a la obligación de iterar, para encontrar un valor de la temperatura adecuada, que cumpla con el requerimiento, de que el calor total de la unidad de trabajo se igual o muy parecido al calor de verificación.

Luego de realizar varias iteraciones variando la temperatura de salida del aire saturado (TA2; PRIMA), se llega a determinar lo que puede ser el valor aproximado al que cumpla la condición antes mencionada que se halló con un valor de TA2; PRIMA=18,41, que arroja los siguientes resultados. 15

Aquí se puede apreciar el valor de los dos calores, el total y el de verificación prácticamente iguales. Luego de tener establecido el valor de la temperatura de salida de aire saturado se continúa haciendo el cálculo respectivo para encontrar tanto el calor latente como sensible. 6.1.

CÁLCULO DE CALOR LATENTE Y CALOR SENSIBLE

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Después de realizar el respectivo cálculo se tienen los valores de calor latente y calor sensible donde se puede apreciar que el calor latente es el más alta ya que esta es la energía presente para el cambio de fase.

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7. ANÁLISIS DE LA UNIDAD MANEJADORA (QL,QS) A LA VARIACION DE DISTINTOS TIPOS DE VALORES 7.1.

Variación del flujo másico

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7.2.

Variación de la temperatura de evaporación

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7.3.

Variación de la temperatura de bulbo húmedo

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8. ANALISIS DE GRAFICAS Y CONCLUSIONES Al observar el comportamiento del caso 7.1, se puede notar la relación proporcional lineal entre el flujo másico, con los respectivos calores sensibles y latente. Para el caso 7.2 donde se presenta la variación de la temperatura de bulbo húmedo del aire deja en evidencia que esta temperatura no altera el calor latente y sensible presente, en las condiciones. Ya por ultimo para el caso 7.3, se presenta una relación parabólica entre el calor latente y la temperatura de bulbo húmedo, mientras que el calor sensible permanece sin cambios, esto debido a la variación del vapor. Para concluir se cumple con el objetivo de diseñar el programa que muestra el comportamiento de una unidad manejadora, determinando parámetros de diseño al igual que el comportamiento de este en varios escenarios distintos.

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9. BIBLIOGRAFÍA



Fundamental of Heat Exchancher Desing



Shao-hielf



DX Catalogo



Catálogo de aire acondicionado



Carrier catálogo general

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