universidad tecnica de oruro

Ing. CARLOS FIDEL CRUZ MAMANIIng. CARLOS FIDEL CRUZ MAMANI

UNIVERSIDAD TECNICA DE ORUROUNIVERSIDAD TECNICA DE ORURO

Ing. Carlos Fidel Cruz MamaniIng. Carlos Fidel Cruz MamaniDOCENTE DE INGENIERÍA DOCENTE DE INGENIERÍA

MECANICA-ELECTROMECÁNICAMECANICA-ELECTROMECÁNICA


CAPITULO 7CAPITULO 7

ACONDICIONAMIENTO DE AIRE Y ACONDICIONAMIENTO DE AIRE Y CALEFACCIÓNCALEFACCIÓN

Objetivo: Estudio de las propiedades Objetivo: Estudio de las propiedades del aire húmedo y sus aplicaciones del aire húmedo y sus aplicaciones en el acondicionamiento de aire y en el acondicionamiento de aire y calefacción.calefacción.


7.1 Introducción7.1 IntroducciónLa mayor parte de los sistemas de La mayor parte de los sistemas de

acondicionamiento de aire se usan acondicionamiento de aire se usan para dar confort a las personas, o en para dar confort a las personas, o en el control de procesos.el control de procesos.

Se sabe ya que por experiencia que el Se sabe ya que por experiencia que el acondicionamiento de aire aumenta acondicionamiento de aire aumenta la comodidad. Determinados rangos la comodidad. Determinados rangos de temperatura, humedad limpieza y de temperatura, humedad limpieza y movimiento de aire son confortables.movimiento de aire son confortables.


7.2 Psicometría7.2 PsicometríaLa psicrometría es la ciencia que La psicrometría es la ciencia que

estudia las mezclas de aire y vapor estudia las mezclas de aire y vapor de agua.de agua.

La cantidad de vapor de agua que La cantidad de vapor de agua que contiene la atmósfera es de gran contiene la atmósfera es de gran importancia en el acondicionamiento importancia en el acondicionamiento del aire, ya que afecta al confort del aire, ya que afecta al confort humano y determina la calidad de humano y determina la calidad de muchos productos manufacturados.muchos productos manufacturados.


7.2.1 El aire húmedo7.2.1 El aire húmedo

El aire húmedo se supone que está El aire húmedo se supone que está constituido por una mezcla de aire seco y constituido por una mezcla de aire seco y vapor de agua. Si llamamos vapor de agua. Si llamamos mmaa a la a la fracción de aire seco y fracción de aire seco y mmww a la fracción de a la fracción de vapor de agua, se cumplirá:vapor de agua, se cumplirá:

aw mmm


Separación del aire y del vapor de Separación del aire y del vapor de agua en dos recipientes.agua en dos recipientes.


Supongamos que podamos separar el aire seco y Supongamos que podamos separar el aire seco y

el vapor de agua.el vapor de agua. Debe cumplirse por la Ley de DALTON Debe cumplirse por la Ley de DALTON que la suma de presiones parciales sea que la suma de presiones parciales sea iguala la presión total que tenemos en iguala la presión total que tenemos en el aire atmosférico.el aire atmosférico.

wa ppp


Para el aire seco contenido en el recipiente B Para el aire seco contenido en el recipiente B podemos aplicar la ecuación de estado.podemos aplicar la ecuación de estado.

Para el vapor de agua contenido en el recipiente C, Para el vapor de agua contenido en el recipiente C, podemos aplicar la ecuación de estado.podemos aplicar la ecuación de estado.

Donde Donde RRaa =287 [J/kg K], es la constante =287 [J/kg K], es la constante característica del aire seco.característica del aire seco.

RRww =461,5 [J/kg K], es la constante =461,5 [J/kg K], es la constante característica del vapor de agua.característica del vapor de agua.

TRmVp aaa

TRmVp www


6.3 Propiedades físicas del aire 6.3 Propiedades físicas del aire AtmosféricoAtmosférico

a)a) Temperatura de bulbo seco (BS).Temperatura de bulbo seco (BS).

b)b) Temperatura de bulbo húmedo (BH)Temperatura de bulbo húmedo (BH)

c)c) Temperatura del punto de rocíoTemperatura del punto de rocío

d)d) Relación de humedadRelación de humedad

e)e) Humedad relativaHumedad relativa

f)f) Entalpía del aire húmedoEntalpía del aire húmedo


a) Temperatura de bulbo seco (BS)a) Temperatura de bulbo seco (BS)La temperatura corrientemente La temperatura corrientemente

medida por el bien conocido medida por el bien conocido termómetro de mercurio se termómetro de mercurio se describe técnicamente como describe técnicamente como temperatura seca.temperatura seca.


b) Temperatura de bulbo húmedo (BH)b) Temperatura de bulbo húmedo (BH)

Se determina esta temperatura Se determina esta temperatura colocando un paño sobre el bulbo de colocando un paño sobre el bulbo de un termómetro corriente de un termómetro corriente de mercurio, humedeciéndolo con agua mercurio, humedeciéndolo con agua y haciendo que el aire que deba y haciendo que el aire que deba medirse pase sobre el bulbo mojado medirse pase sobre el bulbo mojado a gran velocidad.a gran velocidad.


c) Temperatura del punto de rocíoc) Temperatura del punto de rocío

Se denomina punto de rocío del aire, Se denomina punto de rocío del aire, o temperatura de rocío del aire, la o temperatura de rocío del aire, la temperatura a la cual empieza a temperatura a la cual empieza a producirse la condensación del vapor producirse la condensación del vapor de agua. La representamos con el de agua. La representamos con el símbolo Tr.símbolo Tr.


d) Relación de humedadd) Relación de humedadLa representamos con el símbolo w y se La representamos con el símbolo w y se define con el cociente entre la masa de define con el cociente entre la masa de vapor contenida en el aire y la masa de vapor contenida en el aire y la masa de aire seco.aire seco.

seco aire de kg

agua de vapor de kg

a

w

m

mw

a

w

p

pw 622,0

wa ppp


e) Humedad relativae) Humedad relativaSignifica el grado de saturación de Significa el grado de saturación de

determinada muestra de aire y se expresa determinada muestra de aire y se expresa en tanto por ciento. La humedad relativa en tanto por ciento. La humedad relativa depende de la presión del vapor de agua depende de la presión del vapor de agua presente y de la temperatura seca.presente y de la temperatura seca.

La humedad relativa se define, como el La humedad relativa se define, como el cociente entre la presión parcial del vapor cociente entre la presión parcial del vapor de agua en el aire y la presión de de agua en el aire y la presión de saturación.saturación.

ws

w

p

pHR


e) Humedad relativae) Humedad relativaEl vapor de agua contenido en el aire se El vapor de agua contenido en el aire se supone que está disuelto en el aire. La supone que está disuelto en el aire. La capacidad de disolución del aire no es muy capacidad de disolución del aire no es muy grande; si aumentase la cantidad de vapor grande; si aumentase la cantidad de vapor llegaría un momento en que éste llegaría un momento en que éste condensaría, para transformarse en agua condensaría, para transformarse en agua líquida. Cuado llegamos a esta situación líquida. Cuado llegamos a esta situación decimos que se ha alcanzado el estado de decimos que se ha alcanzado el estado de saturación. La presión parcial del vapor de saturación. La presión parcial del vapor de agua se llama presión de saturación (pagua se llama presión de saturación (pww))


Las ecuaciones para obtener la relación Las ecuaciones para obtener la relación presión de vapor-temperatura son presión de vapor-temperatura son bastante complicadas, sin embargo bastante complicadas, sin embargo podemos utilizar la siguiente expresión:podemos utilizar la siguiente expresión:

Donde: A=6861,28 ºKDonde: A=6861,28 ºK

B=5,2776B=5,2776

C=54,2598C=54,2598

[kPa] ln

CTB

T

A

ws ep


f) Entalpía del aire húmedof) Entalpía del aire húmedoEn los cálculos del aire acondicionado se En los cálculos del aire acondicionado se utiliza frecuentemente una variable utiliza frecuentemente una variable energética denominada entalpía.energética denominada entalpía.

Donde: cDonde: cpapa es el calor especif. del aire seco, es el calor especif. del aire seco, LLoo es el calor latente de vaporización del es el calor latente de vaporización del agua a 100 ºC, cagua a 100 ºC, cpwpw es el calor especif. del es el calor especif. del vapor de agua, vapor de agua, t t es la temperatura del es la temperatura del aire y aire y ww es la humedad específica. es la humedad específica.

[kcal/kg] )( tcLwtch pwopa


Valores de cValores de cpapa, c, cpwpw y L y Loo en distintas unidades en distintas unidades

CCpapa 1,004 KJ/kg ºK1,004 KJ/kg ºK 0,24 kcal/kg ºK0,24 kcal/kg ºK

CCpwpw 1,86 KJ/kg ºK1,86 KJ/kg ºK 0,40 kcal/kg ºK0,40 kcal/kg ºK

LLoo 2500.60 KJ/kg2500.60 KJ/kg 600,1 kcal/kg600,1 kcal/kg


6.4 Descripción y utilización del 6.4 Descripción y utilización del diagrama psicrométrico.diagrama psicrométrico.

Este diagrama es el instrumento Este diagrama es el instrumento fundamental del técnico en aire fundamental del técnico en aire acondicionado, ya que le facilita los acondicionado, ya que le facilita los cálculos, le permite relacionar cálculos, le permite relacionar propiedades y, sobre todo, le permite propiedades y, sobre todo, le permite representar procesos, con lo cual representar procesos, con lo cual puede hacerse una mejor idea de lo puede hacerse una mejor idea de lo que ocurre en aquella instalación.que ocurre en aquella instalación.


Diagrama psicrométricoDiagrama psicrométrico


6.4.1 Líneas de proceso en la carta 6.4.1 Líneas de proceso en la carta psicrométricapsicrométrica

El objetivo del equipo de El objetivo del equipo de acondicionamiento de aire que entra acondicionamiento de aire que entra y llevarlo a otra condición. A este y llevarlo a otra condición. A este cambio se llama proceso.cambio se llama proceso.


6.4.2 Procesos que se realizan en 6.4.2 Procesos que se realizan en el aireacondicionadoel aireacondicionado

a)a) Calefacción del aire sin agregado de Calefacción del aire sin agregado de humedad (sin humidificación)humedad (sin humidificación)

b)b) Calefacción del aire con Calefacción del aire con humidificación.humidificación.

c)c) Refrigeración a entalpía constante Refrigeración a entalpía constante (adiabático)(adiabático)

d)d) Refrigeración con contenido de Refrigeración con contenido de humedad constantehumedad constante

e)e) Refrigeración con deshumidificaciónRefrigeración con deshumidificación


Calefacción del aire sin agregado Calefacción del aire sin agregado de humedad (sin humidificación)de humedad (sin humidificación)


6.5 Componenetes y tecnología de sistemas de 6.5 Componenetes y tecnología de sistemas de acondicionamiento de aire y calefacciónacondicionamiento de aire y calefacción

En la figura 1., se detalla una instalación típica de aire acondicionado para confort, que consiste en una unidad para el tratamiento del aire del tipo central, que esta alejada del espacio que se acondiciona y el aire llega al mismo, distribuido por una red de conductos que sirve tanto para refrigerar como para calefaccionar.

A estos sistemas se los denomina todo-aire. Son cuatro los elementos importantes que constituyen el sistema:• Equipo de tratamiento de aire• Sistema de circulación y distribución• Planta de refrigeración• Planta de calefacción


1. Caldera2. Quemador3. Tablero eléctrico4. Bomba circuladora agua caliente5. Unidad enfriadora de agua6. Bomba circuladora de agua fría7. Pleno de mezcla con persianas de regulación de aire de retorno y aire nuevo8. Batería de filtros de aire9. Batería de refrigeración por agua fría10. Batería de calefacción por agua caliente11. Humectador por batería de vaporización12. Ventilador centrífugo de impulsión de aire13. Trampas acústicas14. Conducto de alimentación de aire15. Conducto de retor-no de aire16. Torre de enfriamiento17. Persiana fija de toma de aire exterior18. Rejas de alimentción19. Difusores de aire20. Reja de retorno21. Conducto de toma de aire exterior22. Chimenea de calefacción23. Bomba de condensación


Equipo de acondicionamiento por compresión de vapor.


6.6. Condiciones de bienestar o 6.6. Condiciones de bienestar o confortconfort

¿Cuáles son los elementos ¿Cuáles son los elementos básicos ambientales que defiben básicos ambientales que defiben el bienestar humano?el bienestar humano?

Una sensación de frió o de calor Una sensación de frió o de calor excesivos no es satisfactoria. En excesivos no es satisfactoria. En consecuencia la temperatura del consecuencia la temperatura del medio ambiente que nos rodea medio ambiente que nos rodea será uno de los parámetros será uno de los parámetros fundamentales.fundamentales.


Un ambiente seco produce una sensación más agradable, Un ambiente seco produce una sensación más agradable, en general, que uno húmedo; sin embargo, si la sequedad en general, que uno húmedo; sin embargo, si la sequedad del aire es acusada, pronto se manifiesta ciertos del aire es acusada, pronto se manifiesta ciertos inconvenientes, como sequedad de las mucosas, etc.inconvenientes, como sequedad de las mucosas, etc.

El ruido produce molestias en las no El ruido produce molestias en las no creemos necesario insistir mucho, sobre creemos necesario insistir mucho, sobre todo si la persona vive en una ciudad todo si la persona vive en una ciudad grande.grande.

El aire puede llevar agentes patógenos o El aire puede llevar agentes patógenos o simplemente polvo o ciertos componentes simplemente polvo o ciertos componentes que es necesario eliminar.que es necesario eliminar.


No son estos los únicos factores que han de No son estos los únicos factores que han de tenerse en cuenta, pero sí los mas importantes.tenerse en cuenta, pero sí los mas importantes.

TemperaturaTemperatura

Humedad del aire.Humedad del aire.

Ruido.Ruido.

Ventilación y purificación del aire.Ventilación y purificación del aire.

El control de estos factores nos dará la El control de estos factores nos dará la clave para conseguir un ambiente de clave para conseguir un ambiente de confort o de bienestar.confort o de bienestar.


6.7 Calor generado por el cuerpo 6.7 Calor generado por el cuerpo humanohumano

La cantidad de calor es proporcional a la La cantidad de calor es proporcional a la cantidad de trabajo realizado y si hay mas cantidad de trabajo realizado y si hay mas producción de calor, también será mayor producción de calor, también será mayor la cantidad de calor residual que deberá la cantidad de calor residual que deberá eliminarse. Tambien influye el tamaño del eliminarse. Tambien influye el tamaño del cuerpo; el general se considera que el cuerpo; el general se considera que el calor depende del peso del individuo calor depende del peso del individuo estableciéndose una relación lineal para estableciéndose una relación lineal para comparar unos con otros.comparar unos con otros.


La cesión de calor al ambiente se La cesión de calor al ambiente se produce por:produce por:

Conducción: a través de la piel y los vestidos del individuo.Convección: desde la periferia de la piel al aire que la circunda.Radiación: mediante la emisión de calor del cuerpo a las superficies frías del entorno del local.Evaporación: por la exudación de la pielRespiración: una pequeña parte contenida en el aire de respiración, prácticamente saturada de humedad.


En la tabla 2.1 se consignan algunos valores establecidos por la ASHRAE:

Clase de trabajoClase de trabajo ActividadActividad Calor por unidad de Calor por unidad de tiempo [W]tiempo [W]

Ligero Ligero DurmiendoDurmiendo

SentadoSentado

Sentado con movimientosSentado con movimientos

Moderados (oficina)Moderados (oficina)

7373

116116

161161

ModeradoModerado Sentado con movimientos Sentado con movimientos

Moderados (conducció)Moderados (conducció)

De pie, trabajo ligero.De pie, trabajo ligero.176176

176176

PesadoPesado Trabajo de pico a pala.Trabajo de pico a pala.

Trabajo muy pesado yTrabajo muy pesado y

Sostenido.Sostenido.

513513

640640


El calor metabólico producido en el El calor metabólico producido en el cuerpo humano es:cuerpo humano es:Qm= Qt+ Qe +QaQm= Qt+ Qe +Qadonde:

Qm Disipación total del calor del cuerpo humano (kcal/h) o [w]Qt emisión de calor por convección, conducción y radiación (kcal/h) o [w]Qe disipación de calor por evaporación (kcal/h) o [W]Qa disipación de calor acumulado (kcal/h) o [w]


6.8 Temperatura efectiva6.8 Temperatura efectivaPara conseguir un estado de confort Para conseguir un estado de confort y bienestar es necesario regular, por y bienestar es necesario regular, por lpo menos, dos variables: la lpo menos, dos variables: la temperatura y la humedad. La temperatura y la humedad. La determinación experimental de este determinación experimental de este estado de bienestar se lleva a cabo estado de bienestar se lleva a cabo utilizando métodos estadísticos, por utilizando métodos estadísticos, por que es evidente que la sensación del que es evidente que la sensación del bienestar puede diferir de una bienestar puede diferir de una personas a otras.personas a otras.


6.9 Condiciones de bienestar y 6.9 Condiciones de bienestar y confortconfort

El bienestar se determina El bienestar se determina experimentalmente, sometiendo a experimentalmente, sometiendo a una serie de sujetos a diferentes una serie de sujetos a diferentes condiciones. El resultado se recoge condiciones. El resultado se recoge en unos gráficos. Estos gráfico se en unos gráficos. Estos gráfico se llaman diagramas de confort. Uno de llaman diagramas de confort. Uno de los mas utilizados por ASHRAE los mas utilizados por ASHRAE (American Society of Heating and Air-(American Society of Heating and Air-Conditioning Engineers) que Conditioning Engineers) que reporducimos en la siguiente figura.reporducimos en la siguiente figura.


6.10 Abaco de confort ASHRAE6.10 Abaco de confort ASHRAETomando como base los estudios de Tomando como base los estudios de Fanger,para el diseño delasinstalaciones Fanger,para el diseño delasinstalaciones de aire acondicionado la norma ASRHAE de aire acondicionado la norma ASRHAE estándar 55-92 define los rangos estándar 55-92 define los rangos aceptables de temperatura y humedad aceptables de temperatura y humedad para verano o invierno en el ábaco de para verano o invierno en el ábaco de confort que se indica en la figura 2.4, confort que se indica en la figura 2.4, teniendo en cuenta los parámetros de teniendo en cuenta los parámetros de temperatura del aire, humedad relativa y temperatura del aire, humedad relativa y velocidad del aire, siempre considerando velocidad del aire, siempre considerando obviamente una adecuada calidad o obviamente una adecuada calidad o pureza del aire interior.pureza del aire interior.


6.11 Necesidad de ventilar un local6.11 Necesidad de ventilar un local

En un local cerrado siemprese En un local cerrado siemprese producen gases o humos que producen gases o humos que puedenocacionar molestias e incluso puedenocacionar molestias e incluso pueden ser perjudiciales para la pueden ser perjudiciales para la salud.salud.

La degradación del aire interior se La degradación del aire interior se debe a más de una causa.debe a más de una causa.


-Disminución del oxígeno y -Disminución del oxígeno y aumento del dióxido de carbono.aumento del dióxido de carbono.

- Emisión de acroleína, alquitranes y Emisión de acroleína, alquitranes y otras sustancias tóxicas, debido a los otras sustancias tóxicas, debido a los cigarrillos.cigarrillos.

- Vapor y gases debido al sudor y a la Vapor y gases debido al sudor y a la descomposición metabólica de los descomposición metabólica de los alimentos.alimentos.

- Emisión de disolventes de pinturas o Emisión de disolventes de pinturas o barnices en salas expositoras, etc.barnices en salas expositoras, etc.

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