Conceptos Básicos sobre Acondicionamiento de Aire

Acondicionamiento de Aire
Conceptos Básicos
Acondicionamiento de Aire
Conceptos Básicos
Acondicionamiento de Aire
Conceptos Básicos - 1ra ed.
Publicado Mar. 2007
MITSUBISHI ELECTRIC CORPORATION
Training Center of Sales & Engineering
Living Environment Engineering
PREFACIO
Acondicionamiento de Aire
Conceptos Básicos
El objeto de este libro es proveer a aquellos que ingresan en el campo de la
Calefacción, Ventilación, y Acondicionamiento de Aire (HVAC) en países fuera
de Japón el conocimiento básico en acondicionamiento de aire.
Este libro es una versión en Español de un extracto del libro de texto usado en el
curso introductorio de ventas de acondicionamiento de aire e ingeniería que es
ofrecido por Mitsubishi Electric en Japón y principalmente cubre los aspectos
teóricos del HVAC.
Se espera que este libro de texto sirva como base en la cual los lectores puedan
construir un conocimiento futuro y experiencia en el campo del HVAC.
i
CONTENIDO
Acondicionamiento de Aire - Conceptos Básicos
1. Acondicionamiento de aire
1.1 Acondicionamiento de Aire y Entorno de Habitación
1.2 Entorno Térmico dentro de la habitación
1.3 Calidad de Aire interior
1.4 Ventilación y Acondicionamiento de Aire
2.
Delineado del Equipamiento de Acondicionamiento de Aire
2.1 Carga de Trabajo y Equipamiento Esencial para Acondicionamiento de Aire
2.2 Clasificación de Sistemas de Acondicionamiento de Aire
2.3 Ventilación y Recuperación de Calor
1
1
1
2
3
6
6
14
3. Diagrama h-x (Gráfico psicrométrico)
3.1 Propiedades del Aire
3.2 Humedad del Aire
3.3 Sistema de Acondicionamiento de Aire y Diagrama h-x
3.4 Terminología y Cómo Leer un gráfico psicrométrico h-x
3.5 Cálculos básicos de un Diagrama h-x
3.6 Temperatura de Provisión de Aire de Acondicionamiento de Aire
3.7 Verificación BF de los Items de Referencia
3.8 Método de cálculo de Humidificación
15
15
15
18
20
23
26
27
29
4. Cálculos de Carga de Acondicionamiento de Aire y Selección de Modelo
4.1 Vista General de Selección de Sistema Acondicionador de Aire
4.2 Concepto de Carga Interior
4.3 Tipos de Cálculo de Cargas
4.4 Cálculo de Carga de Calefacción Simple y Calor de Refrigeración
4.5 Selección de Modelo
32
32
34
35
36
40
5. Principios de Refrigeración
5.1 Calefacción y Refrigeración
5.2 Introducción a Refrigeración
5.3 Refrigeración y Refrigerantes
5.4 Ciclo de Refrigeración
5.5 Términos y Unidades
5.6 Calor y transferencia de calor
48
48
48
49
50
52
57
6. Sistema de Refrigeración
6.1 Sistema de Refrigeración de Compresión de Vapor
6.2 Sistema de Refrigeración de Absorsión
63
63
64
7. Configuración del Diagrama p-h y Cálculos del Ciclo de Refrigeración
7.1 Configuración del Diagrama p-h
7.3 Cálculos del Ciclo de Refrigeración
7.4 Cambios en el Ciclo de Refrigeración
7.5 Mezclas de Refrigerante y Anticongelante/agua
65
65
69
72
74
ii
8. Compresor
B.1 Acción y Rol del Compresor
8.3 Tipos de Construcción del Compresor
8.4 Compresores semi herméticos
8.5 Compresores Rotativos
8.6 Compresor Scroll
8.7 Compresor Tornillo
8.8 Compresor Centrífugo
8,9 Rendimiento del Compresor
86
86
87
88
89
90
91
93
94
9. Condensador
9.1 Rol del Condensador
9.2 Energía de Calefacción de la Condensación y su Transferencia
9.3 Tipos de Condensador y Construcción
9.4 Torre de Enfriamiento
96
95
95
96
98
10. Evaporador
10.1 Rol del Evaporador
10.2 Calor y Evaporación y su Transferencia
10.2 Utilizando el Calor de la Evaporación
100
100
100
101
11. Válvula de Expansión
11.1 Acción y Rol de la Válvula de Expansión
11.2 Válvula de Expansión y Tasa de Flujo de Refrigerante
11.3 Válvula de Expansión Termostática Automática
11.4 Válvula de Expansión Electrónica Lineal
11.5 Tubo Capilar
102
102
103
103
103
iii
1. Acondicionamiento
de aire
Clasifiquemos el acondicionamiento de aire general.
El acondicionamiento de aire en el campo de confort
humano puede llamarse Acondicionamiento de Aire
de Cuidado de Salud, y el acondicionamiento de aire
en el campo industrial puede ser llamado
Acondicionamiento de Aire Industrial.
El acondicionamiento de aire consiste en ajustar la
calidad del aire para mantener confortable el entorno
del ambiente.
El acondicionamiento de aire especialmente mejora
el entorno térmico dentro de la habitación, el cual es
uno de los factores que afectan al confort del
ambiente.
La temperatura, humedad, flujo de aire y
purificación del aire solían ser los cuatro factores del
acondicionamiento de aire.
Sin embargo, hoy en día se espera que estas
funciones de acondicionamiento de aire cubran más
aspectos, de acuerdo al análisis del entorno del
edificio.
Por lo tanto, otros factores tales como sonido
ambiente, entorno e iluminación pueden ser
agregados a estos cuatro factores.
Acondiconamiento de aire óptimo
Acondicionamiento de
Aire de Cuidado
de Salud
Acondicionamiento de
aire de espacio
de trabajo
Acondicionamiento
de aire industrial
Acondicionamiento de aire de
proceso industrial
1.2 Entorno Térmico dentro de la
habitación
Los entornos térmicos interiores (climas de
habitaciones) son muy importantes para la salud y
confort de los seres humanos.
El criterio de confort depende de la edad, condición
de salud y hábitos personales o preferencias
personales en donde algunos prefieren el calor y
otros el frío.
Es deseable crear situaciones térmicas de ahorro de
energia que sean confortables para la mayoría de la
gente.
La temperatura que sentimos es determinada por la
temperatura del aire, la humedad, la velocidad del
aire y la radiación térmica. Estos cuatro elementos
son llamados elementos térmicos.
Generalmente, la temperatura es medida en grados
Celsius y la humedad es expresada en humedad
relativa.
La velocidad del aire es expresada como velocidad
del aire por segundo en unidades de m/s.
La temperatura de radiación es expresada en forma
de temperatura radiante (MRT).
Es importante de tener en cuenta que los elementos
del entorno térmico están influenciados no sólo por
los factores de los acondicionadores de aire sino
también por las actividades y condiciones de
vestimenta de la gente.
1.1 Acondicionamiento de Aire y
Entornos Ambientes
Los factores de entorno que afectan al confort
ambiente son básicamente seleccionados para los
cuatro escenarios del ser humano. Estos factores son
generalmente clasificados del siguiente modo:
entorno térmico, entorno de aire, entorno sonóro y
entorno luminoso, Sin embargo, los factores
psicológicos y fisiológicos, funcionalidad y muchos
otros factores también deberán ser considerados a
fin de mejorar el confort ambiente.
El acondicionamiento de aire es muy importante
además de los factores que afectan al confort
ambiente. A pesar de que la historia del
acondicionamiento de aire es vieja, la historia del
acondicionamiento de aire moderno es relativamente
nueva. El acondicionamiento de aire está en el
campo técnico en el cual aún hay espacio para
mejoras.
Dado que la cultura y tecnología han avanzado, una
de las metas del acondicionamiento de aire ha
cambiado para crear el entorno ambiente óptimo
para los ocupantes utilizando la mínima energía.
Es importante obtener una calidad de aire que dañe
lo menos posible a humanos, especialmente cuando
ocurre contaminación ambiental.
Se espera que el desarrrollo de la tecnología de
acondicionamiento de aire cree entornos óptimos
para diversos propósitos.
Desde el punto de vista funcional, se requiere
mejorar la seguridad y funcionalidad para humanos
y para los elementos en el campo de la industria.
1
Tabla 1.1 Valor estándar de la condición ambiente y mantenimiento edilicio (Ishino)
de acuerdo al Manual SHASE (La Sociedad de Ingenieros de Calefacción, Acondicionamiento de Aire y Sanidad de Japón)
Verano*
Invierno
Edificio
(oficina, residencia, etc.)
26°C, 50%
(25-27 °C)
(50-60%)
22°C, 50%
(20-22 °C)
(40-50%)
Edificio comercial
(banco, tienda departamental, etc.)
27°C, 50%
(26-27 °C)
(50-60%)
21°C, 50%
(20-22 °C)
(40-50%)
Edificio industrial
(fábrica, etc.)
28°C, 50%
(27-29 °C)
(50-65%)
20°C, 50%
(18-20 °C)
(40-50%)
Mantenimiento edilicio **
La cantidad de partículas aereas es 0,15mg/m3 o menor, CO2 1000ppm
o menor, CO 10ppm o menos, Temperatura 17-28ºC, Humedad 40-70%,
Flujo de aire 0,5m/s o menos, Cantidad de formaldehido 0,1mg/m3 o
menor.
Notas:
* La media de los valores en verano e invierno es sugerida para ser usada para estaciones intermedias.
** Acción para Mantenimiento de Saneamiento en Edificios
( ) muestra el rango aplicable de temperatura y humedad.
1.3 Calidad del Aire Interior
Dado que el acondicionamiento de aire no tiene
condiciones estándar, la preconfiguración de
temperaturas para acondicionamiento de aire se
recomienda generalmente como se indica a
continuación: 26ºC temperatura de bulbo seco y
55% de humedad relativa en verano, 23ºC
temperatura de bulbo seco interior y 45% de
humedad relativa en invierno en Japón.
Las siguientes temperaturas son sugeridas para
ahorro de energía: 28ºC temperatura de bulbo seco
y 50% de humedad relativa en el verano y 18ºC
temperatura de bulbo seco interior y 40% de
humedad relativa en el invierno. Sin embargo, las
siguientes temperaturas son adoptadas para el
diseño de acondicionamiento de aire: 26ºC
temperatura de bulbo seco y 50% de humedad
relativa en refrigeración y 22ºC temperatura de
bulbo seco interior y 50% de humedad relativa en
calefacción en Japón.
Es importante que la meta del acondicionamiento
de aire es ajustar los entornos ambientes para
alcanzar los propósitos de acondicionamiento de
aire, por lo tanto el criterio que muestren los
usuarios del acondicionador de aire tienen la
máxima prioridad.
Es importante estar advertido, sin embargo, que el
promedio de los usuarios no tienen conocimiento
técnico y que simplemente alcanzar sus necesidades
o deseos puede terminar comprometiendo la
eficiencia del acondicionamiento de aire.
La calidad del Aire Interior se refiere más a la
purificación del aire interior que a los entornos
térmicos. Es abreviado como IAQ.
En Japón, la Ley Norma de Construcción y
Mantenimiento de Edificios del Estándar de
Sanidad Ambiental especifica:
Cantidad de partículas en aire
0,15mg o menos por m3
de aire
CO
10ppm o menos
CO2
1000ppm o menos
Temperatura
17ºC mín. 28ºC máx.
Humedad
40-70%
Flujo de aire
0,5m/s o menos
Cantidad de formaldehido
0,1mg o menos por m3
de aire
En realidad, el estándar de arriba es muy vago para
los ingenieros de acondicionamiento de aire.
La instalación de acondicionadores de aire no debe
ser asumida en el estándar.
La siguiente explicación es una parte más lógica del
IAQ.
Cuando una persona está en una habitación cerrada,
la respiración contamina el aire ambiente, aún si no
hay otra fuente de contaminantes. El polvo de la
ropa puede ser una fuente de contaminación. Una
persona respira aproximadamente 0,3 m3 por hora y
exhala 0,012 m3 de dióxido de carbono. Los valores
varían considerablemente con la actividad humana.
2
La polución en el ambiente aumenta cuando hay
una estufa, o aún más cuando una persona está
fumando en el ambiente. Es necesario entender
que la ventilación o corriente es esencial para IAQ
independientemente de la relación térmica.
El monóxido de carbono afecta en forma adversa a
la salud humana; sin embargo, el dióxido de
carbono no lo afecta demasiado.
El aire contiene 300ppm de CO2 y la
concentración de CO2 está incluida en el estándar
IAQ como un indicador para verificar el grado de
polución del aire interior. La concentración de
CO2 aumenta a medida que el aire interior se
contamina.
Con una concentración de CO2 es 1000ppm
(0,1%), daña los organos circulatorios y el
cerebro.
Los acondicionadores de aire necesitan ser
diseñados para cumplir el estándar IAQ en
nuestras futuras sociedades de alta tecnología.
El olor es otro indicador de la polución del aire
interior además de las concentraciones de
polución de aire.
El olor corporal es físicamente inofensivo, sin
embargo es desagradable. El olor a medicamentos
que da la sensación de estar en un hospital puede
resultar molesto.
La cantidad de ventilación requerida por persona
ha sido determinada como 20m3/h por el Estándar
de Construcción y es generlamente tenido en
cuenta. Sin embargo, para evitar la polución del
aire, se requiere entender la distribución de aire y
otros conocimientos relacionados.
[Método usando el espacio ocupado por persona]
Cantidad de
20 m3/h • superficie de la habitación (m2)
=
ventilación
superficie ocupada por persona (m2)
requerida (m3/h)
(1)
Ejemplo de un caso de una habitación o espacio
comercial en dónde habitualmente hay o circula
gente:
Nota: La ecuación de arriba está basada en el
segundo y tercer párrafo de la sección
20-2 y de la sección 22-3.
(Notas) 1. El número "20" en la ecuación de
arriba significa 20m3/h (por persona).
Este número está basado en la emisión
de CO2 que produce una persona que
está sentada y quieta.
2. En una habitación en dónde hay o
circula gente habitualmente, si el
espacio es superior a 10 (m2),
igualmente se considera de 10 (m2)
para el cálculo de la ventilación.
[Ejemplo 1] Calcular la cantidad de ventilación
requerida para una oficina:
Superficie de la oficina: 130m2,
Cantidad de gente ocupando la
oficina: 30
Hay un montón de problemas a resolverse, tales
como eliminar las bacterias y tratar con
substancias tóxicas a fin de mantener el IAQ.
1.4 Ventilación y
Acondicionamiento de Aire
La ventilación es un elemento esencial del
acondicionamiento de aire, sin embargo, la
ventilación tiene funciones diferentes del
acondicionamiento de aire.
El acondicionamiento de aire ha puesto énfasis en
el entorno térmico dentro de la habitación, sin
embargo, la ventilación es esencial aún cuando el
acondicionamiento de aire no es utilizado. (entre
verano e invierno).
El volumen de aire que es necesario para controlar
el entorno térmico dentro de una habitación no es
el mismo que el volumen de aire de retorno para
mantener el entorno de aire de la habitación.
En ventilación, es necesario calcular que volumen
de ventilación es requerido de acuerdo a cuanto
aire debería ser purificado y la concentración
permisible de contaminantes.
Cantidad de = 20 m3/h • 130 m2 = 600 m3/h
ventilación
130 m2
requerida
30
3
Tabla 1.2 Ejemplos de espacios ocupados por persona para el estándar de ventilación en áreas comerciales
Espacio por persona
(m2/persona)
Uso de construcción
Cantidad de
personas calculada
Auditorio/Hall de entrada
Ocupación máxima
0,5-1
Teatro/Cine/
Sala de entretenimiento
Gimnasio
Ocupación máxima
0,5-1
Ocupación máxima
0,5-1
Hotel/Motel
10
Alojamiento común/
Campo de entrenamiento
2-3
Residencia para jóvenes
Ocupación máxima
Observaciones
4-5
Hospital/Sanatorio
5
Espacio de piso de la habitación en
donde normalmente está o usa la gente
Clínica/Depósito/Mercado
3
Espacio de piso para uso comercial
Restaurante de alta categoría
3
Espacio de piso de la habitación en
donde normalmente está o usa la gente
Depósito departamental
2
Restaurante/Cafe
3
Espacio de piso para uso comercial
Bar
2
Espacio de piso para uso comercial
Natatorio/Sala de danzas
2
Espacio de piso para uso comercial
Club de tiempo libre
2
Espacio de piso para uso comercial
Centro de cuidado diario/
Jardín de infantes/
Escuela primaria
Escuela secundaria/
Escuela superior/Colegio
Varios tipos de escuelas
Biblioteca
Ocupación máxima
Ocupación máxima
Ocupación máxima
3
5
8-10
Oficina/Oficina de edificio inteligente
Fábrica/Sala de control
Fuerza de trabajo
Instituto de investigación/
Laboratorio
Ocupación máxima
Baño público
4-5
Spa/Sauna
5
Espacio de piso de la oficina
Espacio de piso de vestidor
Espacio de piso para uso comercial
(Ejemplo: Acondicionamiento de aire)
Corredor
Hall
Lavatorio
Baño
Sala de baterías
Garage
10
3-5
30m3/h por 1m2
10m3/h por 1m2
35m3/h por 1m2
25m3/h por 1m2
*1
*1 Se indica la cantidad de renovación de aire por hora para cada tipo de local.
4
La Tabla 1.2 puede ser aplicada para los
edificios convencionales que tienen muchas
corrientes de aire o en los lugares en donde la
gente entra y sale frecuentemente. Se requerirá
más ventilación para los edificios que fueron
recientemente sellados o construcciones
herméticas.
La tarea y cantidad requerida de ventilación en
el manual de acondicionamiento de aire es
como se indica a continuación.
En el futuro, la cantidad requerida de
ventilación será incrementada; por lo tanto, la
recuperación de calor es el punto a resolver
para ahorro de energía.
Tabla 1.3 Tareas y cantidad requerida de ventilación
0,1%=1000ppm
Cantidad requerida de ventilación [m3/h por persona]
Cantidad calculada
Tarea
de emisión de CO2 Concentración permitida Concentración permitida Concentración permitida Concentración permitida
[m3/h por persona]
de CO2 0,15%
de CO2 0,20%
de CO2 0,10%
de CO2 0,50%
Durante descanso
2,8
7,6
10,8
0,013
18,6
Tarea muy liviana
4,7
12,9
18,3
0,022
31,4
Tarea liviana
6,4
17,6
25,0
0,030
43,0
Tarea mediana
9,8
27,1
38,3
0,046
65,7
Tarea pesada
15,8
43,7
61,7
0,074
106
La cantidad de ventilación requerida [Q] es calculada con la siguiente fórmula.
100M
Q=
k-k0
Q
Cantidad requerida de ventilación [m3/h por persona]
M
Cantidad de emisión de CO2 [m3/h por persona] (Refiérase a la tabla de arriba)
k
Concentración de CO2 interior admisible (%)
k0
Concentración exterior de CO2 (El valor en la tabla de arriba es calculado con k0=0,03% [composición
estándar atmosférica]. En el centro de las ciudades o áreas industriales, k0=0,06%
k=0.1% El valor de regulación en los edificios en los cuales se aplica mantenimiento y las habitaciones que requieren
una ventilación especial de acuerdo con la Ley de Edificación Estándar.
k=0,5% El valor de regulación en las habitaciones en las cuales se aplica la Ordenanza de Estándares de Salud para Actos de
Trabajo Estándar.
Tabla 1.4 Cantidad de ventilación requerida considerando fumadores,y la cantidad de fumadores para ello.
Fumadores
Siempre
Usualmente
Cantidad requerida de ventilación
Cantidad de fumadores*1
[m3/h por persona]
[cantidad de cigarrillos/h
El valor mínimo por persona]
El valor sugerido
Aplicación
Oficina de comisionista/
Sala de edición de diarios/
Sala de reuniones
Bar/Oficina/
Habitación de Hotel
51-85
42-51
A menudo
Restaurante/Oficina
20-26
A veces
Sala de negocios de Banco/
Oficina/Almacén
13-17
3-5.1*2
(1.5-2,5)*3
2,5-3*2
(1,3-1,5)*3
1,2-1,6*2
(0,6-0,8)*3
0,8-1,0*2
(0,4-0,5)*3
Notas:
*1 La masa del cigarrillo es asumida como 980mg. Asumimos que el 60% de ella es consumida y el resto no se utiliza.
*2 De acuerdo a P.F. Halfpenny, cuando el volumen de ventilación es mantenido como el valor de la columna de la izquierda, la
concentración de contaminantes por fumar y la cantidad de cigarrillos deberá ser 35,3mg/m3 y el valor de *2 respectivamente
o menor a fin de mantener la intensidad de olor de cigarrillo como 2.
*3 Para mantener la intensidad de olor de cigarrillo como 1, la concentración de contaminante por fumar y la cantidad de cigarrillos
deberá ser 17,7mg/m3 y el valor de *3 respectivamente o menor.
5
2. Delineado del Equipamiento Acondicionador de Aire
Se puede considerar que el acondicionador de aire
está dividido, en líneas generales, en varios
procesos. Uno relacionado con el calor del exterior
que ingresa al edificio (considerado como una
carga superficial), otro relacionado con el calor que
se genera en el interior del edificio y un tercer
proceso relacionado a la calidad de aire que filtra el
equipo.
Por lo tanto, hay varios conceptos a considerar para
clasificar a los acondicionadores de aire tales como
equipos acondicionadores de aire interior y equipos
para acondicionamiento perimetral, como así
también conductos para acondicionamiento
primario de aire y acondicionadores de aire
individuales descentralizados usados para
tareasespecíficas.
La idea general del acondicionamiento de aire es
un concepto vago y hay diferentes expresiones para
cada situación.
Tambien hay situaciones en las cuales el flujo de aire
es controlado cuidadosamente tales como el
acondicionador de aire domiciliario. Generalmente
hablando, esto es examinado como una tarea de
distribución del flujo de aire y distribución de
temperatura.
Los elementos del acondicionador de aire deberían
ser provistos como se indica abajo.
• Fuente de calor
Agua fría o refrigentante
unidad
a baja presión funcionando
como un disipador, gas
refrigerante a alta presión
o agua caliente
funcionando como fuente
de calor, equipo que
produce vapor.
• Intercambiador de Equipo que convierte
calor
calor de una fuente de
calor a un medio de
transferencia de calor,
calefactor y refrigerador.
• Equipo de filtrado Equipo que produce aire
de aire
limpio.
Equipo que envía
• Equipo de
ventilación
aire hacia el exterior.
2.1 Carga de Trabajo y
Equipamiento Esencial para
Acondicionamiento de Aire
El acondicionamiento de aire deberá poder
controlar los siguientes parámetros:
[Entorno térmico]
• Temperatura Ajustar la temperatura del aire
Examinar el calor
• Humedad
Ajustar la humedad.
• Flujo de aire Controlar el flujo de aire
alrededor de la gente.
[Calidad del aire]
• Proveer el oxígeno requerido para respirar.
• Remover cualquier componente peligroso del
aire.
Consecuentemente, un acondicionador de aire
requiere un mecanismo que permita el control
exhaustivo de esos parámetros.
Aunque esto significa que el volumen de aire a
acondicionar sea dentro de la habitación en dónde
está presente la gente y que todos los parámetros
son controlados completamente, no es neceario que
todas las partes del equipo necesiten instalarse o
estár físicamente dentro del mismo espacio que
utiliza la gente.
Por ejemplo, a pesar de que hay situaciones en las
cuales el panel radiador está instalado directamente
para irradiardentro del local, hay muchos casos en
las cuales el acondicionamiento se resuelve
básicamente determinando la carga de zonas
interiores y zonas perimetrales y colocando los
radiadores en otros ambientes adyacentes al local.
2.2 Clasificación de los Sistemas
Acondicionadores de Aire
6
Si se clasifican desde el aspecto de funcionamiento,
la clasificación de los acondicionadores de aire se
divide como sigue:
• Un sistema centralizado en el cual el equipo
fuente de calor y los acondicionadores de aire
están instalados en una sala de máquinas.
• Un control centralizado o un sistema individual
descentralizado que permite la operación
independiente en cada habitación con aire
acondicionado.
En un sistema descentralizado individual, se instalan
múltiples acondicionadores de aire pequeños.
Dependiendo de las diferencias en el medio de
transferencia de calor dentro de la habitación el
acondicionador de aire es clasificado como un
sistema de aire completo, sistema de agua-aire,
sistema de agua o sistema refrigerante.
¿Por qué hay estos diferentes tipos de sistemas
acondicionadores de aire?. La razón principal puede
considerarse en que hay diferencias en el
rendimiento dependiendo de las cargas de aire a
acondicionar.
Sin embargo, el grado requerido de calidad de aire
acondicionado está en comparación con las
fluctuaciones en la carga.
En la Fig 2.2.1, el aire de desecho se descarga al
exterior a través del ducto. Controlando el
ventilador o regulador se hace posible refrigerar el
aire exterior.
Si un ducto está ingeniosamente diseñado de esta
manera, se pueden producir varios sistemas.
Esto es aplicable a todos los acondicionadores de
aire pero la relación entre la cantidad de aire y la
cantidad de energía calórica es como sigue:
A fín de proveer un sistema acondicionador de aire
completo, se deben controlar los cuatro factores
térmicos esenciales, como se mencionó en el capítulo
uno.
Si tomamos las fluctuaciones de carga en
consideración, debemos operar un refrigerador y
calefactor al mismo tiempo.
Otra razón es el hecho que, desde el punto de vista
del costo, es preferible incrementar la densidad de
energía tanto como sea posible y luego transferir la
energía de modo de transportar el calor
eficientemente. El agua, con una alta densidad, puede
conservar el calor más eficientemente que el aire que
requiere una capacidad de 1m3 para 1 kg. Un
refrigerante que utiliza cambios en el estado de la
materia, permite que se almacene más calor en una
mucho menor capacidad.
Esto también está relacionado al incremento de los
porcentajes de ventas de los acondicionadores de aire
de expansión directa, los cuales directamente
evaporan refrigerante en una parte del acondicionador
de aire (unidad interior) cuando están en modo
refrigeración.
q = C • V • ∆T
(1)
q
: Cantidad de calor transferido W
C : Calor específico J/kg K
V : Flujo de masa kg/s
∆T : Diferencia de temperatura K
Si sólo una habitación interior es acondicionada
bajo condiciones idénticas, el volumen de aire y la
diferencia de temperatura puede ser controlado en
respuesta a la carga de acondicionamiento de aire.
Sin embargo, en realidad, hay otras ramificaciones
de ductos desde el conducto y distribución de aire
hacia múltiples habitaciones.
Debido a esto, un VAV (regulador para volumen de
aire variable) es utilizado para permitir que sea
controlado el volumen de aire de cada habitación.
El equipamiento típico y tradicional en un sistema
acondicionador de aire de tipo ducto es llamado
sistema centralizado de conducto simple de
volumen constante de aire.
2.2.1 Sistemas Todo Aire
(sistema acondicionador de aire
por conducto)
Un sistema acondicionador de aire, que utiliza un
único ducto para ventilación para enviar aire desde el
acondicionador hasta una habitación interior, es
llamado sistema de ducto simple. Un sistema
acondicionador de aire que utiliza dos ductos, envía
aire frío por un ducto y aire caliente por el otro ducto
y es entoces llamado sistema de dos ductos.
Los sistemas para controlar la temperatura ambiente
incluyen un sistema de aire de volumen constante
(sistema CAV o LVC) que cambia la temperatura del
aire mientras mantiene un flujo constante de aire y un
sistema de volumen de aire variable (sistema VAV)
que permite que cambie el flujo de aire.
Corte del edificio
Retorno de aire
Provisión
de aire
3er piso
Retorno de aire
Provisión
de aire
2do piso
Retorno de aire
Provisión
de aire
1er piso
SA (Provisión de aire)
Aire
exterior
Habitación
interior
AHU
(Unidad manipuladora
de aire)
RA (Aire de retorno)
OA
Sótano
(Aire exterior)
Acondicionador de aire
Nota: Los dispositivos fuentes de calor y frío, tuberías de agua
caliente y fría, bómbas, y otros equipos relacionados son
omitidos.
EA
(Aire de salida)
Fig. 2.2.2 Sistema de control completo de ducto simple
Fig. 2.2.1 Sistema de ducto simple
7
2.2.2 Sistema de Agua
En este tipo de sistema se instala un equipo
acondicionador de aire en una sala de máquinas y
el aire acondicionado es dirigido por el conducto
principal hacia cada habitación.
Los sensores de temperatura son instalados en
diversas ubicaciones de los locales con aire a ser
acondicionado para controlar la temperatura
requerida del aire ventilado.
Dado que este es un sistema completo de
acondicionamiento de aire, la cantidad de
ventilación puede asegurarse en forma estable,
haciendo normalmente posible asegurar la calidad
del aire que ingresa a los locales.
Puede haber zonas en donde las características de
carga promedio varían a pesar de que hay muchos
casos de gente que lo sienten muy frío o muy
caliente y a veces usen un calentador o un
ventilador eléctrico.
El hecho que la caldera y el acondicionador de
aire estén instalados en una sala de máquinas
requiere de especialistas que mantengan y
administren los acondicionadores de aire.
Este sistema fue provisto para grandes espacios
tales como salas de conciertos (auditorios). La
zonificación fue difícil de lograr y las tecnologías
de acondicionamiento de aire fueron desarrolladas
para solucionar este problema. Actualmente, el
proveer VAV como una unidad de volumen
variable de aire en ubicaciones importantes de
ramificaciones de conductos para poder efectuar
cambios en la calidad del acondicionamiento de
aire para cada zona se ha vuelto un procedimiento
común. Este tipo de sistema es llamado sistema de
conducto simple de volumen variable de aire.
Desde el punto de vista de los diseños interiores,
un sistema de conducto tiene la imagen de un
sistema de acondicionamiento de aire de alta
calidad, debido a que las aperturas de las rejillas
individuales pueden ser diseñadas
independientemente. Esto es una parte del
equipamiento indispensable para facilidades en
gran escala.
El equipo básico incluye un dispositivo
refrigerante tal como un chiller (enfriador) y una
fuente de calor de la central del edificio, una
unidad conconductora de aire tal como una unidad
impulsora de aire y equipamiento de conductos.
Los dispositivos son fabricados de modo de
distribuir aire acondicionado usando conductos de
distribución desde las unidades interiores para
equipos individuales descentralizados y
acondicionadores de aire domésticos.
(sistema fan coil)
Esta es una pieza de equipamiento provista con
una serpentina de calentamiento/enfriado de agua
y un ventilador. A pesar de que se asemeja a la
unidad interior de un sistema refrigerante, cuando
el sistema refrigerante se usa, existe la posibilidad
de que el sonido del circuito de refrigerante pueda
ser escuchado debido al gas que cambia de estado
dentro de la unidad. Cuando se utiliza un fan coil,
sólo fluye agua fría o caliente dentro de la unidad
haciendo por lo tanto que el ruido sea
fundamentalmente inferior. Por tal motivo, es
comúnmente utilizado en hoteles.
Sin embargo, la desventaja de una unidad fan coil
es que se necesita planificar un sistema separado
para ingresar el aire exterior.
Fig. 2.2.3 Unidad fan coil
2.2.3 Sistema Agua - Aire
(sistema de conducto y fan coil)
El agua, con menor transmisión de fuerza que el
aire, es usada principalmente. La cantidad de aire
es la mínima cantidad de aire exterior requerida
para ventilación.
• Sistemas de agua: Alto grado de libertad para
tender tuberías, pueden ser controlados
individualmente.
• Sistemas de aire: Procesamiento simple de aire
exterior.
En el sistema más popular, se utiliza un
sistema de agua (unidad fan coil) para el
perímetro y un sistema de aire para el interior y
ventilación.
8
Más aún, esto también es un sistema de tipo de
condensador remoto en el cual la unidad
condensadora se ubica lejos usando tuberías de
refrigerante y un acondicionador de aire comercial
separadamente, tal como el Mr. Slim (nombre de
proconconducto de Mitsubishi), un acondicionador
de aire para uso en oficinas o almacenes en el cual
la unidad compresora y la unidad condensadora
están formadas en una unidad e instaladas afuera
mientras sólo el evaporador es colocado dentro de
las habitaciones.
Tanque de expansión
FL
FCU
FL
FL
Salida
Aire exterior
Soplador de aire
Humidificador
Serpentina de calefacción
Serpentina de refrigeración
Filtro de aire
Panel superior
Aletas de ingreso
Bómba de circulación
Agua fría
Dispositivo de
refrigeración
Placa del ventilador
Panel posterior
Cámara de pleno
Espacio del
mecanismo
soplador
de aire
Hervidor
Agua caliente
Fig. 2.2.4 Sistema de conducto y fan coil
Soplador
de aire
Caja de
conmutación
Paneles
izquierdo/
derecho
Refrigerador
2.2.4 Sistema refrigerante
(acondicionador de aire de expansión
directa)
Este acondicionador de aire es llamado
acondicionador de aire de expansión directa.
Comprime y condensa un refrigerante para formar
refrigerante líquido dirigiéndolo directamente
dentro de la habitación y entonces acondiciona el
aire de la habitación usando un evaporador.
También condensa el refrigerante usando el calor
de dentro de la habitación.
Los acondicionadores de aire domésticos y
acondicionadores de aire comerciales para
almacenes son acondicionadores de aire de
expansión directa. La expansión directa es
frecuentemente usada para acondicionadores de
aire múltiples para edificios. La expansión directa
cambia el estado del refrigerante, o visto de otro
modo permite al calor transferirse como calor
latente, haciendo así posible transferir una gran
cantidad de energía calórica usando tuberías finas.
Naturalmente, el factor de espacio del equipo
puede ser mejorado, permitiendo proveer un
proconducto comercial.
(1) Acondicionador de aire comercial
Un acondicionador de aire comercial es un
acondicionador de aire básico (por ejemplo, un
sistema acondicionador de aire centralizado de
conducto que utiliza una unidad de manejo de aire)
en un formato comercial.
Históricamente, un sistema enfriador de agua fue
uno de los primeros sistemas en los que el
compresor, condensador, válvulas de expansión y
evaporadores fueron alojados en una unidad y un
condensador usaba el agua fría para la conducción
del calor.
Entrada
Espacio de
maquinaria
Compresor
Caja de control
Condensador
Fig. 2.2.5 Acondicionador de aire tipo
comercial comercial de agua refrigerada.
(2) Clasificación y construcción de
Acondicionadores de Aire comercials
Originalmente, los acondicionadores de aire
usaban un sistema de conducto central, pero las
cargas de acondicionamiento de aire y patrones de
variación de cargas son fundamentalmente
diferentes. En particular, el entorno económico de
Japón actualmente internacionalizado ha resultado
en fuertes demandas para descentralización
individual del acondicionamiento de aire
incluyendo, no sólo diferencias de cargas, sino
también diferencias en el uso de las zonas horarias.
Se proveen acondicionadores de aire cuya única
función es acondicionar el edificio entero y hay
crecientes demandas para acondicionadores de aire
con un modo de operación para cada piso y grupos
de equipos que permitan acondicionar aire en
pequeñas zonas. Como resultado, se han
desarrollado varios tipos de acondicionadores de
9
Perímetro
conducto Corte transversal del edificio
Unidad manipuladora de aire o
acondicionador de aire compacto
para procesamiento interior de cada piso
Unidad fan coil para
procesamiento de la
carga del perímetro
Este sistema también es llamado
una unidad para cada piso (unidad
manipuladora de aire)
Restaurante
Oficina
2
3
1
Oficina
Sala de computadora
1 Computadora
2 Acondicionador de aire compacto
f
para
salas de computadoras
3 Acondicionador de aire compacto
para salas de computadoras
Sala de negocios
Depósito subterráneo
Salas de reunión
Fig.2.2.6 Ejemplo de control de zona
(a) Acondicionador de aire comercial de
propósito general
La Fig. 2.2.7 muestra un acondicionador de aire
especializado de tipo de aire refrigerado
(especializado en ámbito comercial).
Si el compresor exterior y el condensador están
ubicados en el interior y por lo tanto el agua
usada para efectuar la condensación, se puede
obtener una disposición del tipo de agua
refrigerada.
Un sistema que circula refrigerante en una torre
de enfriamiento es un sistema común para obtener
agua refrigerante.
Se puede obtener un tipo bomba de calor
(acondicionador de aire que enfría y calienta) si
las funciones del evaporador y el condensador
son invertidas cambiando el circuito del aire
refrigerado.
En principio, sin embargo, una bomba de calor de
tipo de agua no puede usar una torre refrigerante
como fuente de agua.
Los agujeros para permitir que ingrese el aire
pueden proveerse del lado de las superficies
posteriores de la unidad acondicionadora de aire
en sí.
Normalmente, se usa un sistema que instala
múltiples unidades dentro de la sala
acondicionadora de aire que opera separadamente
en respuesta a la carga.
Hay también muchos casos en dónde una sala de
máquinas de acondicionamiento de aire es
instalada y se utiliza el sistema de conductos para
acondicionar el aire.
La Fig. 2.2.8 muestra un ejemplo cuando se usa
cada tipo de unidad de acondicionadora de aire.
10
Nota: Cuando usa un acondicionador de aire del tipo comercial
refrigerado por agua, las unidades número 1 y 2 están incorporadoas
en una unidad interior para formar una unidad integral.
Impulsión
6
3
Aire interior
5
7
4
(gas)
Refrigerante
(líquido)
Drenaje
Acondiconador de aire de tipo
refrigerado por aire (interior)
4 Válvula de expansión 6 Soplador de aire interior
5 Evaporador (refrigerador) 7 Filtro
2
1
Aire de refrigeración
Acondiconador de aire de tipo
refrigerado por aire (exterior)
1 Compresor
2 Condensador
3 Soplador de aire exterior
El calor (así como vapor de agua) es
transportado al exterior por el refrigerante.
Fig. 2.2.7 Sistema refrigerante (expansión directa)
(Todos los conductos de entrada de aire fresco son omitidos en la figura. Estos dibujos son diagramas conceptuales).
Tipo P (Pleno)
Tipo D (conducto)
Succión posterior
(lateral)
Pleno
No pleno
Sala de máquinas
Succión frontal
Tipo G (rejilla)
No pleno
El ejemplo de la derecha muestra un acondicionador
de aire ubicado en una habitación separada
(tal como una sala de máquinas o un corredor).
Fig. 2.2.8 Clasificación cuando se usa un paquete de acondicionadores de aire
11
Hay varios modelos de unidades interiores y
pueden ser integradas en varios conceptos de
diseños interiores.
Recientemente, el equipo que controla la
divergencia de la refrigeración del lado de
evaporación y la fuente de calor del lado del
condensador permite proveer una operación
simultánea de refrigeración y calefacción. Este
tipo de equipamiento está siendo utilizado
principalmente para acondicionar el aire de
edificios.
La figura de abajo muestra un ejemplo de un
sistema de planificación libre de
acondicionamiento de aire de edificios
(Acondicionador de aire múltiple, de expansión
directa) de Mitsubishi Electric.
Se utilizan dos tuberías a través del controlador
BC para que las máquinas puedan proveer
refrigeración y calefacción simultánea.
(b) Sistema Acondicionador de Aire de
Flujo Variable de Refrigerante (VRF)
Se pueden controlar múltiples acondicionadores
de aire para edificios descentralizándolos
individualmente. Las ventajas de conservación de
energía y el hecho de que no se necesitan las
tuberías de agua, han resultado tema central en el
acondicionamiento de aire de edificios.
Para la unidad exterior se utiliza un compresor
controlado por variador de velocidad y el volumen
de refrigerante circulante cambia libremente en
respuesta a la carga de las unidades interiores.
La capacidad mínima de la unidad interior es
pequeña permitiendo acondicionar el aire en
espacios pequeños. Esto hace que sea fácil
zonificar áreas de pequeña escala tales como
oficinas.
Dado que las unidades interiores individuales
pueden arrancar y detenerse como sea necesario,
es fácil ahorrar energía.
Compresor controlado por inverter
Unidad exterior
Distribuidor
Distribuidor
Unidad interior
Fig. 2.2.9 Series CITY MULTI Y (conmutación calefacción / refrigeración)
Unidad exterior
Controlador BC
Distribuidor
Distribuidor
Unidad interior
Fig. 2.2.10 Series CITY MULTI R2 (calefacción / refrigeración simultáneas)
12
(c) Acondicionador de aire comercial para
oficinas y almacenes
Acondicionadores de aire de pequeño tamaño son
usados frecuentemente para edificios de pequeña
escala y pequeños negocios de venta.
La capacidad va desde 4kW a 18kW y hay
muchos tipos de unidades.
La unidad exterior es generalmente del tipo
horizontal y efectúa la condensación usando el
aire exterior.
Es diseñada para instalarse secuencialmente en
techos de los edificios.
Fig.2.2.12 Tipo cassette
Fig. 2.2.11 Instalación secuencial de las
unidades exteriores.
Fig. 2.2.13 Tipo techo
Este tipo de acondicionador de aire comercial
también puede ser un tipo múltiple desde dos
hasta cinco unidades interiores conectadas a una
unidad exterior.
Varios tipos de elementos se preparan para las
unidades interiores y generalmente se utiliza el
tipo de elemento referido como cassette. Además
de esto, hay muchas variantes incluyendo un tipo
techo, un tipo de suelo vertical, un tipo mural
(idéntico a las unidades de uso doméstico) y un
tipo conducto).
Fig. 2.2.14 Tipo mural
13
2.3 Ventilación y Recuperación
de Calor
Interior Exterior
Aire de descarga exterior
Aire de descarga interior
(Aire sucio refrigerado y calefaccionado)
(Aire fresco refrigerado y calefaccionado)
Se puede decir que entre las cargas de refrigeración
y calefacción, en los equipos de acondicionamiento
de aire, la que ocupa una gran parte es la carga de
aire exterior (carga de ventilación) que representa el
30% de todas las cargas. Se diseña un
intercambiador de calor total para cambiar la
temperatura (calor sensible) y la humedad (calor
latente) del aire de entrada y del aire de salida para
reducir la carga térmica de aire de salida y ahorrar
energía.
SA
EA
Placa divisoria
Papel procesado
especialmente
Placa espaciadora
Papel procesado
especialmente
OA
Aire de entrada
exterior (aire fresco)
RA
Aire de entrada interior
(Aire sucio refrigerado y calefaccionado)
Fig. 2.3.1 Recuperación de calor de
acuerdo al sistema Lossnay
(1) Un intercambiador de calor estático total
(Lossnay de Mitsubishi Electric) tiene un
intercambiador de calor de placa de aleta de
corriente directa (DC) con una construcción como
la mostrada en la Fig. 2.3.1 y está comprendida por
un panel divisor y un panel espaciador formado por
papel especialmente tratado.
El aire de entrada y de descarte (salida) son
completamente separados por la placa divisoria,
haciendo posible siempre introducir aire fresco sin
mezclarlo con el de salida.
Eficiencia de
t(OA)-t(SA)
⋅ 100
intercambio [%]=ηt=
t(OA)-t(RA)
de temperatura
(2)
Eficiencia de
h(OA)-h(SA) ⋅ 100
intercambio [%]=ηh=
h(OA)-h(RA)
de entalpía
(3)
η .................. Eficiencia (%)
t ...................Temperatura de bulbo seco (ºC)
h .................. Entalpía (kJ/kg)
La eficiencia de intercambio de temperatura
actualmente es del 70% aproximadamente. La fig.
2.3.2 muestra la operación en un gráfico
psicrométrico.
(2) Eficiencia de intercambio
La eficiencia de intercambio de
temperatura/entalpía se define como se indica a
continuación.
h RA
S
recup
tOA
A
tSA
Cantid
ad de
0
R
Estado del aire
interior en invierno
Lossless
indoor
del aire
de
S Estado
air supply
state
entrada
interior
Lossnay
Estado del aire
exterior en invierno
x OA
Summer
outside
Estado del
aire
air
state en verano
exterior
x SA
Lossless
Estado delindoor
aire de
air
supply
stateLossnay
entrada
interior
Estado delindoor
aire
Summer
air
stateen verano
interior
ero L
ior
R
ossna
y
ía
e ai
re e
xter
talp
En
Car
ga d
h OA
h RA
hSA
0
A
tRA
tRA tSA
x RA
x RA
x SA
x OA
tOA
Temperatura de bulbo seco (ºC)
Fig. 2.3.2 Recuperación del calor de acuerdo al sistema Lossnay.
14
Humedad absoluta
h SA
Carg
a de
aire
Cantid
exte
ad de
rior
recupe
ro Los
snay
En
talp
ía
h OA
3. Diagrama h-x (Gráfico psicrométrico)
3.1 Propiedades del aire
El aire contiene aproximadamente 78% de
nitrógeno (N2) y la porción remanente de oxígeno
(O2).
Otros elementos detectables son el argón, CO2 y
helio.
Cuando se piensa en las propiedades del aire, se
considera la existencia de vapor de agua como un
componente principal. El aire seco es aire al que se
le removió el vapor de agua y el aire que contiene
vapor de agua se llama aire húmedo.
Aire seco
Vapor de agua
Aire húmedo
Señal
Pd
P
Pa
Peso
1
x
1+x
La temperatura del aire y la cantidad de humedad
que pueden ser contenidas en el aire se determina
como se muestra en la Fig. 3.2.1.
Como se entiende de la figura, cuando la
temperatura es alta, el aire puede contener una
gran cantidad de humedad.
El aire en el estado en el cual el vapor de agua
contenido a cierta temperatura ha alcanzado el
límite máximo se llama aire saturado.
Además, la línea que une la porción de la cantidad
de vapor de agua del aire saturado se llama línea
de saturación de vapor. La humedad relativa se
refiere a que cantidad de vapor de agua está
contenida comparada con la cantidad de vapor de
agua que pueda ser contenida a cierta temperatura.
El aire saturado tiene una humedad de 100%.
Si el vapor de agua del aire excede el 100%, la
humedad no podrá existir como vapor de agua y se
convertirá en gotas de agua. Si esto ocurre en el
cielo, se producirá lluvia y si ocurre en una
habitación, se formarán gotas de agua en los
vidrios de las ventanas.
Fig. 3.1.1 Mezcla de aire seco y vapor de
agua
En realidad, el aire seco no existe en la naturaleza.
La humedad se siente y la garganta de la gente se
seca en respuesta a la cantidad de vapor de agua en
el aire.
3.2.1 Humedad Absoluta (χ)
La masa de vapor de agua contenido en 1kg de
aire seco es definida como humedad absoluta.
3.2 Humedad del Aire
Si hay una gran cantidad de humedad (vapor de
agua existente) en el aire, la humedad se
incrementará y si se seca, el vapor de agua en el
aire disminuirá.
no
re
i
ra el a a.
tu
,
u
sa ea ag
de a lín de
a
st or
ne
Lí de e vap
ce ás
ex r m
e
s ne
Si nte
co
n
ció
Bajo
Temperatura del aire (BS)
Dividido entre vapor de agua (numerador)
y aire (denominador)
x
Pequeña Canteidad de vapor de agua Grande
e
ed
pu
Masa de vapor de agua kg
Aire que conttiene vapor de agua
(aire húmedo)
Masa de aire
(masa de aire
seco) kg´
Fig. 3.2.1.1 Humedad absoluta (χ)
Alto
Fig. 3.2.1 Temperatura de aire y cantidad de
vapor de agua.
15
3.2.2 Humedad Relativa ϕ (unidad %)
La relación entre la presión parcial de vapor de
agua contenido en el aire en el momento actual
comparado con la presión parcial de vapor de agua
dentro del aire saturado a una cierta temperatura es
llamada la humedad relativa.
Como se muestra abajo, la humedad relativa es la
relación del valor obtenido extrayendo sólo el
vapor de agua desde el aire saturado a una cierta
temperatura, introduciendo el vapor en un espacio
específico y luego midiendo la presión y
extrayendo sólo el vapor de agua desde el aire
húmedo a la misma temperatura. De ahí en más, el
vapor es introducido en un espacio con la misma
capacidad y luego se mide la presión.
Humedad a una
cierta temperatura
Extrayendo sólo
vapor de agua
Aire húmedo a
una cierta temperatura
W
kg
Extrayendo sólo
vapor de agua
Aire saturado a la misma
temperatura que arriba
Presión del vapor de agua
sólo extraido desde la izquierda
WS
kg
MPa
Fig. 3.2.3.1 Humedad porcentual (ψ)
P
PS
Aire saturado a la misma
temperatura que arriba
MPa
Presión del vapor de agua
sólo extraido desde la izquierda
Fig. 3.2.2.1 Humedad relativa (ϕ)
3.2.3 Grado de Saturación
(humedad porcentual) ψ (unidad %)
La humedad porcentual es definida como una
escala de medición que indica el porcentaje (%) de
valor de agua contenido en el aire a una cierta
temperatura contra una cantidad de valor de agua
en aire saturado.
Con sólo aire saturado, la humedad relativa y
humedad porcentual serán iguales y en otro caso
serán diferentes. Además de que este es el caso,
podemos convenientemente asumir diseños de
acondicionamiento de aire con una diferencia
cercana a la temperatura normal a presión
atmosférica de 1% o menos.
16
3.2.4 Mediciones de Humedad
La humedad puede ser leída directamente en
porcentaje (%) usando un higrómetro. También se
puede hallar fácilmente la humedad midiendo la
temperatura de bulbo seco y la de bulbo húmedo.
Estudiaremos un gráfico psicrométrico en el
próximo capítulo.
Examinar la humedad usando un diagrama
psicrométrico es un método simple y efectivo.
Generalmente hablando, la temperatura de bulbo
seco es medida usando graduaciones (escalas) en
un tubo de vidrio dentro del cual se encuentra
encerrado un líquido, tal como alcohol.
La temperatura de bulbo húmedo es medida usando
un dispositivo en el cual un trozo de tela es
envuelto alrededor del sensor de temperatura de un
termómetro para medir la temperatura. Este
dispositivo vaporiza el contenido de agua hasta que
el aire a ser medido alcance el equilibrio. Además,
también hay expresiones computacionales para
determinar la presión parcial de vapor de agua a
partir de las lecturas de las temperaturas de bulbo
seco y de bulbo húmedo y luego obtener la
humedad relativa. La expresión difiere cuando el
bulbo húmedo se congela y cuando no.
Termómetro de
bulbo seco
BS
Señal t
Lea esta indicación después de por
lo menos hayan pasado 2 minutos
con un flujo de aire de 3 m/s o más.
Termómetro de
bulbo húmedo
BH
Señal t’
Sensor de temperatura
(esférico) con gasa húmeda
Sensor de temperatura
seco (esférico)
Fig. 3.2.4.1 Termómetro de bulbo húmedo y
seco.
17
3.3 Sistema de
Acondicionamiento de Aire y
Diagrama h-x
Un sistema acondicionador de aire mantiene la
temperatura y humedad del aire dentro de una
habitación en valores deseados. Debido a esto, el
sistema acondicionador de aire debe enviar aire
fresco y aire cálido a una temperatura y humedad
adecuada dentro de la habitación.
Por lo tanto, cuando el aire es calentado,
refrigerado, humidificado o deshumidificado,
debe haber exámenes de cuanto cambian las
diversas propiedades del aire.
En este punto cuando desea usar un diagrama
psicrométrico para encontrar valores de 1
Temperatura de Bulbo seco, 2 Temperatura de
Bulbo húmedo, 3 Humedad absoluta, 4 Humedad
Relativa, 5 Temperatura de punto de condensado,
a
tiv
la
-h
ad
re
ed
5 Temperatura de punto de rocío t”
t’
t
Hu
3 Humedad absoluta x
2 Te
mp
era
tura
de
o
to)
cífic bru
spe cífico
ne
me espe
Volu umen )]
l
6 (vo 3 / (DA
v [m
1 Temperatura
Dry-bulb temperature
de bulbo seco t (?C)
(?C)
m
4
bulb
o
húm
edo
Factor de calor sensible SHF
ía
(%
de
c
Fa
ea
u(
talp
)
tur
ac
sa
alo
e cS H F
d
tor
3 Humeada absoluta x [kg / kg (DA) ]
ión
?
J
En
e
ibl
ns
e
rs
Lín
/kg)
?
kJ
7
ia
nc
ifere
de d dad
n
ó
i
c
me
Rela lpía-hu
Enta
h /dx
u=d
[k
0
En
ta
lp
ía
=1
00
(D h
A)
]
%
6 Volumen específico y 7 Entalpía (contenido de
calor) de un determinado aire, sabiendo
simplemente dos valores de entre 1 a 7 le permite
determinar los demás valores. Más aún, cuando
hay calefacción, refrigeración , humidificación y
deshumidificación en el estado del aire, construir
un diagrama psicrométrico le permitirá juzgar
cambios y encontrar el grado al cual ocurre el
cambio.
Hay muchos tipos de diagramas psicrométricos.
Nosotros usaremos el más común y fácil de
entender (diagrama psicrométrico h-x) para la
explicación.
En este capítulo describiremos la entalpía pero
abreviaremos la entalpía específica como entalpía.
t’(?
C)
Temperatura (ºC)
Fig. 3.3.1. Composición del diagrama psicrométrico h-x de aire húmedo.
18
Agua
ta
En
ía
lp
ta
ca
ífi
c
pe
es
ca
a
í
lp
fi
cí
pe
En
es
Rel
ac
ent ión de
alp
ía-h difere
u=
n
um
dh
eda cia
/d x
d
Dry-bulb temperature t’ ( C)
ra d
eb
ulb
oh
Specific volume bulk
atu
Tem
per
úm
edo
t´ (º
C)
Fig. 3.3.2 Diagrama de aire húmedo h-x (Sociedad Japonesa de Ingenieros en Refrigeración y Acondicionamientod e Aire) (1994))
Hielo
Diagramas de aire húmedo h-x
Presión 101,325kPa, Temperatura -10 ~ +50 C
)
(%
)
φ
re
la
tiv
a
Hu
m
ed
ad
19
Factor de calor sensible
Humedad absoluta
Humedad absoluta x
Humidificación
Dehumidificación
A
B
Temperatura de bulbo seco < ºC BS>
kJ/k
Aumento en la humedad
absoluta y descenso en la
temperatura de bulbo seco
drante la humidificación
del vapor de agua
(La entalpía no
cambiará).
tutream
de ep
urantou
rde
cond
ensa
do)
inrat
mpope
e
w
t
(
e
e(dco
tubores
erbaul
p
d
a
m
r
lebrateu
Tte-mup
(ejemplo) El valor de la entalpía de la escala a
una temperatura de bulbo seco de 29ºC
y temperatura de bulbo húmedo de
21ºC es 60,7 kJ/kg´.
Si una cierta cantidad de aire es humidificado
usando vapor de agua, el cambio en ese aire
aparecerá en la escala en la dirección superior
izquierda. Esto es debido al hecho de que la
temperatura de bulbo seco del aire cae debido a
que el calor latente requerido para vaporizar el
agua (humedad) es aceptado desde el aire pero la
energía calórica del aire en sí puede ser pensada
como que es constante.
Símbolo que representa la Entalpía h (o i)
Abme
Au
solut
nto
e hu
demi
ladit
huyme
Inc
da
redas
ab
esoluta
g’>
Fig. 3.4.1
En
Descenso de la temperatura de bulbo seco
Fig. 3.4.2
(3) 4 Escala de humedad relativa
La línea de escala de 100% de humedad relativa
también es llamada línea de saturación. El vapor
de agua dentro del aire sobre esta línea se
transforma en rocío flotando en el aire o el vapor
de agua cambia a agua y es descargado hacia el
aire exterior.
Símbolo que representa a la humedad
relativa ϕ .
n
10
0
(2) 2 Escala de temperatura de bulbo húmedo.
2 Escala de entalpía específica (Abreviada
como Entalpía).
Estos dos tipos son generalmente líneas de
graduación paralelas como se muestra en la figura.
La temperatura de bulbo húmedo está representada
por líneas quebradas y la entalpía por líneas
sólidas. La entalpía de aire seco de temperatura de
bulbo seco t=0ºC y la humedad absoluta
x = 0kg/kg´es determinada para ser h = 0kJ/kg´.
A Cambia debido a la calefacción o
refrigeración cuando la humedad
absoluta es constante
(no humidifica ni deshumidifica)
B Deshumidificación y humidificación
de vapor de agua sin cambios de
Refrigeración Calefacción
temperatura
<kcatalpía esp
l/kg
e
’> cífica-h
<
(1) 1 Escala de temperatura de bulbo seco.
3 Escala de humedad absoluta.
Cuando un cierto aire no se humidifica o
deshumidifica pero se calienta o enfría , la
humedad absoluta es constante. Por lo tanto, sólo
la temperatura del bulbo seco cambia en forma
paralela a las líneas de la escala de humedad
absoluta.
Más aún, cuando la temperatura es constante y se
humidifica (se agrega vapor de agua) o
deshumidifica (tal como cuando se utiliza silica
gel), la temperatura de bulbo seco será constante y
sólo el valor de la humedad absoluta cambiará.
ió
ac
ur
t
a
ne
Lí
de
sa
90 0
8 0
7
60
50
40
30
20
10
Fig. 3.4.3
20
kg / kg’
3.4 Terminología y Cómo Leer
un Diagrama psicrométrico h-x
(4) 5 Escala de temperatura de punto de rocío
La graduación de temperatura del punto de rocío se
ubica en la línea del 100% de humedad relativa y
la posición de las escalas son puntos de
intersección de las líneas de escala para
temperatura del bulbo húmedo. Cuando el valor
numérico es difícil de leer, los puntos de
interconexión en la línea de saturación pueden ser
leidos como valores de temperatura de bulbo seco.
La temperatura de punto de rocío t” del aire del
punto de estado A es la temperatura del punto
de humedad absoluta idéntica a la del punto A
en la línea de saturación.
t”
A
Paralelo
Parallel atolaabsolute
escalahumidity graduation line
de humedad absoluta
(5) 6 Escala de volúmen específico
El volumen del aire cambiará dependiendo de la
temperatura de bulbo seco, temperatura de bulbo
húmedo o humedad absoluta.
El valor de este volumen específico (también
volumen específico bruto) es usado cuando se
obtiene la masa desde el volumen del aire como se
muestra abajo.
Símbolo que representa al volumen
específico υ.
t=t ”
Fig. 3.4.4
0,92
/kg’
>
21
3
A pesar de que el símbolo de unidad kg´significa
aire seco (DA), puede ser pensado como una masa
del aire provisto (aire húmedo) desde un punto de
vista práctico.
Cuando el estado del aire no puede ser identificado
durante la planificación y el diseño de un sistema
acondicionador de aire, use un valor de referencia
de 0,83 como un valor para el volumen
específico.
0
(5)
m
ico <
ecíf 0,88
esp
8
Fig. 3.4.5
6
4
0,8
2
0,8
0
0,8
0,7
(4)
0,9
en
um
Vol
0,8
Masa de aire<kg> =
Volumen de aire (capacidad <m3>)
Volumen específico de este aire <m3/kg´>
Masa de aire primario por el acondicionador de aire <kg´/s>=
Flujo de aire primario por el acondicionador de aire <m3/s>
Volumen específico del aire primario <m3/kg´>
=t
Cuando el aire en un cierto estado experimenta
cambios en el calor sensible y calor latente al mismo
tiempo, ese cambio se produce en líneas dibujadas en
paralelo desde puntos (puntos de estado) que muestra
el estado antes del cambio hasta arriba-derecha
(calefacción + humidificación) o abajo-izquierda
(refrigeración deshumidificación) en las escalas de
SHF.
Calor sensible
SHF =
(6)
Calor sensible + Calor latente
50
0,40
0,45
0,50
0,60
0,70
0,80
0,90
1,00
Centro de la línea de
escala de SHF
(punto de referencia)
Variación de temepratura
(Temperatura de bulbo seco t [ºC]
26,0
Fig. 3.4.6
Fig. 3.4.6.(1) Imagen del factor de calor sensible
Cambios en el diagrama
psicrométrico cuando el aire en el
punto A es 0,7 y es calentado
y humidificado al mismo
tiempo.
ia
Pu
o
nt
de
de
ad
gr
ión
s
re
0,70
Líne
n esta
ios e
Camb
cia
de
to
n
Pu
línea
de
r
fe
re
A
íne. a
sta l
ne
ios e
b
Cam
Fig. 3.4.8
Fig. 3.4.7
22
SH
lo
va
en
lela
a para
r
F
SH
c
er
ef
A
Cambios en el diagrama
psicrométrico cuando el aire en el
punto A es 0,6 y es refrigerado
y deshumidificado al mismo
tiempo.
F
ua
c
en
Humedad
Humedad absoluta x [ kg / kg (DA) ]
0,35
s
ea rv
ín nte
s i
la
n ste
ite e e
om o d
r
Se ent
d %
de sa
c
es
o
al
Factor de calor sensible SHF
de
ad
tid
an ón
c
nte
de
i
de acc
ión ón late
c
n
a
f
i
i
ó
ci cale
Var lefacc
ria
ca
ad
Va al de
d
i
t
e
tot
can ensibl
e
d ns
ión
iac cció
Var calefa
de
0,30
Línea
a
al
turac
ión
(6) Escala de SHF (Sensible Heat Factor - Factor de
Calor Sensible)
Estos son gráficos que muestran la relación entre
calefacción y humidificación o entre refrigeración y
deshumidificación. Como se muestra en la figura,
cuando el valor en el estado radiante centrado en t =
26,0 y ϕ = 50% se superponen sobre otras escalas, la
figura se volverá compleja.
Por lo tanto, la porción central es omitida en el
diagrama psicrométrico.
0,60
ralela
a pa
Líne
Volumen del aire primario Estándar 45m3/min.
Cantidad de entrada de aire exterior 9m3/min
Aire exterior
t = 33ºC, ϕ = 65%
Aire interior
t = 27ºC, ϕ = 50%
3.5 Cálculos Básicos en un
Diagrama h-x
Si se aplica un diagrama psicrométrico, se pueden
encontrar la mayor parte de los cambios de estado
del aire relacionado al acondicionamiento de aire.
Esa porción será introducida como sigue.
Aire exterior
9 m3/min
t =33 C, =65%
(1) Práctica en Lectura de un Diagrama
psicrométrico h-x
Encuentre la humedad relativa (ϕ) y otras a partir de
las temperaturas de bulbo seco y húmedo.
Mezcla de aire
45 m3/min
Aire interior
36 m3/min
t = 27 C , =50%
(ejemplo) Encuentre ϕ, χ, h, t", υ del aire de
t = 26ºC, t´= 19ºC
Fig. 3.5.2
(respuesta) Encuentre los puntos de estado 1 y 2
del aire interior y exterior en un
diagrama psicrométrico y luego conecte
una línea recta entre ambos.
El punto de estado de la mezcla de aire
se encuentra en algún punto de esa línea
recta y ese punto se determina por t3 de
la mezcla de aire calculado mediante la
siguiente ecuación.
(respuesta) Encuentre el punto de estado de t = 26ºC,
t´=19ºC en un diagrama psicrométrico y
lea los otros valores.
ϕ = 51,7%
x = 0,0109 kg/kg´
h = 54,0 kJ/kg´
t" = 15,3 ºC
υ=0,862m3/kg´
t1
7
1,
=5
15,
3
h=
t’=1
54,
9,0
0
t3= k × t1 + (1 - k) × t2
t2
50
t3
t”=
x=0,0109
v=
k
(7)
0,8
Temperatura de bulbo seco (ºC)
del aire exterior
Temperatura de bulbo seco (ºC)
del aire interior
Temperatura de bulbo seco (ºC)
de la mezcla de aire.
Cantidad de entrada de aire exterior <m3/min>
Volumen de aire primario <m3/min>
62
Mezcla
2
21,
3
Fig. 3.5.1
=6
5
t=26,0
t ’=
(2) Utlizando un diagrama h-x cuando se mezcla aire
3
Encuentre el estado cuando se mezclan dos tipos de
aire.
1
50
=
(ejemplo) Opere un cierto acondicionador de aire
bajo las siguientes condiciones.
Encuentre t, t´del aire (mezcla de aire
exterior e interior) absorbido dentro del
refrigerador.
28,2
27,0
Fig. 3.5.3
23
33,0
(respuesta)
9
9
× 33 + (1 ) × 27 = 28,2 <°C>
45
45
Por lo tanto, en un diagrama psicrométrico
t'3 = 21,3 <°C>
(referencia)
La posición en donde el punto de estado de la
mezcla de aire se encuentra depende de la cantidad
de mezcla del aire exterior e interior. Si se toma el
100% del aire exterior, el estado de la mezcla será
el punto 2 y si no se toma aire exterior en absoluto,
el estado de la mezcla de aire será el punto 1.
Esto es determinado usando la relación de masa
correspondiente a los volúmenes de aire exterior e
interior en el punto entre 1 y 2.
Qc
60
: Rendimiento de refrigeración <kW>
: unidad <s/min> Este coeficiente 60
no es requerido cuando la unidad de
volumen de aire es <m3/s>
Volumen de aire : unidad <m3/min> (o <m3/s>).
Cuando un ducto no está conectado a
un acondicionador de aire y no hay
otros problemas, el volumen de aire
nominal es aceptable.
v2
: Volumen específico de aire de entrada
(ejemplo)
Aire de retorno Temperatura de bulbo seco 27,0ºC
Temperatura de bulbo húmedo 19,5ºC
aire de entrada Temperatura de bulbo seco 18,0ºC
Temperatura de bulbo húmedo 13,5ºC
Volumen de aire 30m3/min
(respuesta)
Usando el diagrama psicrométrico, h1 = 55,3 <kJ/kg>
h2 = 37,7 <kJ/kg>
v2 = 0,835 <m3/kg>
Por lo tanto,
30
Qc =
× (55,3 - 37,7) 10,5 <kW>
60 × 0,835
(3) Cálculo del Rendimiento de Refrigeración
durante la Operación.
Encuentre el rendimiento de refrigeración durante
la operación y determine la calidad del estado de
operación del acondicionamiento de aire
comparándolo con el rendimiento de refrigeración
esperado obtenido a partir de un diagrama de
rendimiento bajo las mismas condiciones.
Rendimiento de refrigeración durante la operación
Rendimiento esperado de refrigeración
> 0,8
=
Si el contenido de arriba y el criterio de evaluación
son satisfechos, el acondicionador de aire se
considera que trabaja normalmente.
mb
ca
laten iada de ntidad
te
calo
r
Cálculo de datos del rendimiento de
refrigeración durante la operación
t ’1
=1
37,
7
2
9,5
55,
3
1
t’
,5
h 2=
v2
Porc
cam ión de c
a
b
sens iada de ntidad
ible
calo
r
h2
t’
1
h 1 Po
rc
ca ión de
Ejemplo de cálculo de datos de rendimiento
de refrigeración durante la operación
h 1=
t3 =
Mida las temperaturas de aire seco y húmedo del
aire de entrada y de retorno (el aire exterior y el
interior cuando el acondicionador de aire toma aire
exterior) del acondicionador de aire durante la
operación. Use un diagrama psicrométrico
(deberán ser usados al menos dos grupos de
diagramas psicométros) para encontrar la entalpía
h1 del aire de retorno del refrigerador 1, la entalpía
h2 del aire de entrada 2, y el volumen específico v2.
Luego, calcule el rendimiento de refrigeración
usando la siguiente fórmula.
Volumen de aire
Qc =
× (h1
h2)
(8)
60 ⋅ υ2
13
t
’ 2=
1
2
v 2=
t1
35
0,8
t2
Fig. 3.5.4
t 2=18,0
Fig. 3.5.5
24
t 1=27,0
(ejemplo)
Aire de retorno Temperatura de bulbo seco
21,0ºC
Temperatura de bulbo húmedo 14,0ºC
38,5ºC
Aire provisto Temperatura de bulbo seco
Temperatura de bulbo húmedo 20,1ºC
Volumen de aire
40m3/min
Calefactor eléctrico incorporado 2kW no-operando
(4) Cálculo de Rendimiento de Calefacción
Durante la Operación
Encuentre el rendimiento de calefacción durante la
operación y determine la calidad de la operación
del acondicionador de aire usando un método
idéntico al item (3) de arriba.
Mida las condiciones del aire del acondicionador
de aire durante la operación usando un método
idéntico al item (3) de arriba. Cuando se incorpora
un humidificador en el acondicionador de aire,
detendrá la operación. Usando un diagrama
psicrométrico, encuentre el volumen específico υ2
del aire ingresante y luego calcule el rendimiento
de calefacción durante la operación con la
siguiente ecuación usando la temperatura de bulbo
seco del aire de entrada del calefactor t1 y la
temperatura de bulbo seco del aire de entrada t2.
Volumen de aire
× (t2 - t1)
QH = Cpa ⋅
(9)
60 × υ2
QH
: Rendimiento de Calefacción <kW>
60
: unidad <s/min> Este coeficiente 60 no es
requerido cuando la unidad de volumen de
aire es <m3/s>
Volumen de aire : unidad <m3/min> (o <m3/s>).
Cpa
: Puede ser omitido como total 1 dado que
el calor específico a presión constante del
aire <kJ/kg K> = 1,006 <kJ/kg K>.
v2
: Volumen específico de aire ingresante <m3/kg´>
Mida el rendimiento de calefacción de un
acondicionador de aire del tipo bomba de calor con
calefactor eléctrico auxiliar cuando se está
deteniendo el calefactor.
(respuesta)
Usando un diagrama psicrométrico,
υ2=0,893<m3/kg´>
Por lo tanto,
40
QH =
× (38,5 - 21,0)
60 × 0,893
t’
2=
20
,1
Ejemplo de cálculo de datos de
rendimiento de calefacción
durante la operación.
=1
4,
0
93
0,8
2=
t’1
1=21,0
Fig. 3.5.7
t’
2
Cálculo de datos de rendimiento de
calefacción durante la operación.
t’1
2
1
2
1
13,1 <kW> (10)
2
Fig. 3.5.6
25
2=38,5
(2) Encuentre el punto de estado de aire de
entrada del equipo 4 encontrado desde el
rendimiento de refrigeración del acondicionador de
aire. Determine los valores del rendimiento de
refrigeración del acondicionador de aire seleccionado
y el SHF del equipo desde el diagrama de
rendimiento y use la capacidad de acondicionamiento
de aire para determinar el grado al cual cae la
entalpía del aire de entrada (he) con la siguiente
ecuación.
3.6 Temperatura de Entrada de Aire
de Acondicionamiento de Aire
Temperatura de Aire de entrada de un
Acondicionador de Aire Estándar
Encuentre las condiciones de provisión de aire que
corresponden a la carga de refrigeración interior y
luego use esto para determinar la calidad de una
máquina seleccionada comparada con el estado del
aire de entrada del acondicionador de aire
seleccionado.
(1) Primero, encuentre el punto de estado de aire
de entrada interior esperado 5 desde la carga de
refrigeración. Encuentre el punto 1 del estado de
aire interior en el diagrama psicrométrico y luego
dibuje una línea de carga interior SHF en la dirección
hacia la izquierda abajo.
Verifique el punto 1 de entalpía h1 <kJ/kg´>.
he =
h1
he
h3
2 Aire exterior
h5
h4
h
SHF
4
3
5
1
Fig. 3.6.1
Calcule la diferencia de entalpía h <kJ/kg´>
requerida entre 1 aire interior y 5 aire de entrada
esperado usando la siguiente ecuación para
encontrar la entalpía hs del aire de entrada <kJ/kg´>.
h =
(Carga de refrigeración interior) <kW> × 0.83 <m3/kg'> × 60
(Volumen de aire de un acondicionador de aire seleccionado) <m3/min>
(12)
(3) Determine la calidad de la máquina seleccionada.
Si el punto (4) de estado de aire de entrada del
equipo se ubica en la dirección hacia la izquierda
abajo como se ve desde el punto (5) de estado de
aire interior provisto esperado en el diagrama
psicomético (rango punteado de la Fig. 3.6.1), no
habrá errores con la máquina seleccionada (auque si
hay una significante separación en la dirección hacia
la izquierda-abajo, reseleccione un acondicionador de
aire con un menor rendimiento de refrigeración y
verifique nuevamente). Una dirección hacia
arriba-derecha indica que el rendimiento de
refrigeración de acondicionamiento de aire no es
satisfactorio.
El punto 3 será el mismo que el punto 1 cuando no se
tome aire exterior dentro del acondicionador de aire.
r SHF
a interio
Carg
E
(Volumen de aire del acondicionador de aire seleccionado) <m3/min>
Encuentre el punto (3) de estado del aire de
retorno del enfriador del acondicionador de aire
en un diagrama psicrométrico (refiérase a 3.5 (2)) y
luego, desde 3, dibuje la línea SHF del equipo en
dirección hacia abajo-izquierda. La entalpía h4 que
sustrajo he de la entalpía h3 (del punto 3) es la
entalpía del aire de entrada del acondicionador de
aire y el punto de estado del aire de entrada del
equipo es el punto en donde se intersectan la línea
SHF del equipo con la entalpía h4 (4).
aire de entrada esperado y aire
provisto del equipo
o
quip
(Rendimiento de refrigeración) × 0,83<m3/kg> × 60
(11)
0,83 : Valor estándar del volumen específico v
durante el cálculo del acondicionamiento de
aire.
El aire de entrada esperado encontrado en el
punto de estado de aire 5 (Entalpía hs) se ubica en la
línea de carga interior SHF.
26
3.7 Verificación BF de los Ítems
de Referencia
El BF de un acondicionador de aire se encuentra
desde el SHF del equipo con condiciones de
acondicionamiento de aire estándar JIS.
(1) Encontrar el BF (factor de bypass)
El BF es una relación del acondicionamiento de
aire, que se refiere al aire que pasa a traves del
intercambiador de calor (refrigerador, calefactor)
sin detenerse o hacer contacto con un ventilador o
tubería (es decir que no es refrigerado ni
calefaccionado). Cuando un volumen de aire es
grande comparado con el tamaño del
intercambiador de calor, BF tiende a ser más
grande y cuando el volumen de aire es pequeño,
BF tiende a ser menor.
(respuesta) Verifique el rendimiento de
refrigeración de acondicionamiento de
aire y el SHF (con volumenes de aire
estándar y condiciones de
de aire estándar JIS).
En un diagrama psicrométrico,
encuentre el punto 1 de temperatura
de bulbo seco t1=27ºC, ϕ=50%
(condiciones de retorno de
refrigerador JIS) y luego dibuje la
línea SHF del equipo en la dirección
hacia abajo-izquierda. La entalpía h3
se encuentra mirando al punto de
interconexión con la línea de
saturación (ϕ= 100%) como en 3.
Encuentre h2 buscando h basada en las
condiciones estándar.
actor de bypass
0,30
0,25
0,20
0,15
10
0
Encontrar BF a partir de las condiciones
estándar JIS
de
sa
tu
ra
c
65
70
75
80 82,5
FVolumen de aire <m3/min>
a
h2
h
ne
Fig 3.7.1. Ejemplo de línea de factor de bypass
Lí
60
h1
55
ió
n
0,10
h3
1
3
2
quipo
del e
F
H
S
Fig. 3.7.2
h <kJ / kg'>
(Rendimiento de refrigeración)<kW>×0,83>m3/kg´>×60
(13)
=
(Volumen de aire) <m3/min>
h2 = h1 - h
Segmento de línea 2 - 3
h2 - h3
or BF =
BF =
Segmento de línea 1 - 3
h1 - h3
Podemos asumir que este valor de BF no fluctuará
a menos que cambie el volumen de aire.
27
(2) Econtrar las condiciones de Aire Esperadas
Encuentre las condiciones de ingreso de aire del
acondicionador de aire (condiciones de ingreso de
aire esperadas) desde el rendimiento de refrigeración
de acondicionamiento de aire, el volumen de
acondicionamiento de aire y BF.
(respuesta) En un diagrama psicrométrico, encuentre
el punto correspondiente al estado del aire
interior del enfriador 1 y luego verifique
la entalpía h1. Encuentre h a partir del
rendimiento de refrigeración y volumen
de aire y luego determine h2. Encuentre h3
con la siguiente ecuación.
h2 = h1 - h
h2 - (BF ⋅ h1)
<kJ / kg'>
(14)
1 - BF
Encuentre el punto donde la Entalpía es h3 en la línea
de saturación (ϕ = 100%) del diagrama psicrométrico.
Conecte este punto 3 con el punto 1 y luego encuentre
el punto 2 de Entalpía h2 sobre esta línea recta. Este es
el punto de estado del aire ingresante al
acondicionador de aire [aire provisto esperado].
10
ión
ϕ
h
1
h3
h2
=
Lí
h1
ne
a
de
sa
tu
ra
c
Encuentre las condiciones de provisión
de aire desde BF
0
h3 =
3
2
Fig. 3.7.3
28
3.8 Método de Cálculo de
Humidificación
(Carga de calor sensible en Invierno) <kW>
(Caudal de ventilación)
=
(17)
× hs (w)
0,83
(1) Las cargas de refrigeración y calefacción y la
cantidad de humedad requerida dependerán de la
ventilación.
Encuentre la carga de refrigeración y calefacción y
la cantidad de humedad requerida que dependen de
la ventilación
Fig. 3.8.2 Caída de Entalpía <kJ/kg´>
hs(i)
(Cantidad de humedad en invierno)<<kg/s>
(Caudal de ventilación)
× x
(18)
=
0,83
En un diagrama psicrométrico, encuentre las
condiciones de diseño de acondicionamiento de aire
interior/exterior para verano e invierno y luego
encuentre la caída de Entalpía y diferencia de
humedad absoluta en la Fig. 3.8.1 y 3.8.2.
Use la siguiente ecuación para determinar la carga de
calor sensible, carga de calor latente y cantidad de
humidificación requerida.
Diferencia de humedad absoluta de
Fig. 3.8.2 <kg/kg´>
x
Carga de ventilación (invierno)
w)
(Carga de calor sensible en Verano) <kW>
hL (
(Caudal de ventilación) × hv (s)
(15)
0,83
Caudal.............Unidad <m3/s>
de ventilación
0,83....................Valor estándar de volumen
específico <m3/kg´>
hs (v)..................Fig. 3.8.1 Caída de Entalpía
<kJ/kg¨>
(Carga de calor latente en Verano) <kW>
(Caudal de ventilación)
=
× h L(v)
(16)
0,83
Fig. 3.8.2
(referencia)
Escala u de relación entre la
variación de humedad y la de
diferencia entalpía
Esta u es usada como sigue desde el punto de vista
práctico.
Ventilation
Carga
de ventilación
load (summer)
(verano)
hL(
s)
(Claartgea
ndte hcae
loar tlalteo
nated) )
x
hS (
Cantidad de humidificación
Aire exterior
Paralelo a línea de
escala de humedad absoluta x
hL(v)....................Fig. 3.8.1 Caída de Entalpía
<kJ/kg´>
(se(n
Csarigba
ledehc hS(s
)
aeloar ts
elonsaibd
le)
Aire interior
w)
=
(a)
Durante humidificación de vapor de agua
u = 4,186 × tω <kJ/kg>
tω
Temperatura del agua <ºC>
(b)
Durante atomización de vapor
u = 1,805 × ts + 2501,6 <kJ/kg>
1,805 Calor específico a presión constante de
vapor de agua <kJ/kgK>
ts
Temperatura de vapor <ºC>
2501,6 Calor latente de evaporación de agua a
0ºC <kJ/kg>
Aire exterior
Aire interior
Parallel toa absolute
Paralelo
la escala
humidity
x graduation
gradua
ion line
de humedad
absoluta
x.
Para cada uno, cuando ocurre la humidificación en
aire de un cierto estado, el estado cambiará en una
dirección paralela a esta escala u en un diagrama
psicométrico.
Fig. 3.8.1
29
(2) Cantidad de humidificación requerida cuando
comienza la calefacción.
(respuesta) En el diagrama psicrométrico encuentre
los puntos de estado para el aire bajo
las condiciones de diseño de calefacción,
cuando se inicia la calefacción y luego
encuentre ∆x y x.
Encuentre la cantidad de humidificación requerida
cuando comienza la calefacción.
Con calefacción intermitente, Fi será insuficiente si
la humedad absoluta interior cae al iniciar la
operación y la temperatura de la habitación
aumenta.
Cuando esto ocurre, usted debe encontrar la
cantidad de humedad requerida usando la siguiente
ecuación y humidificar en forma separada desde la
ventilación.
(Cantidad de humedad requerida)
=
= 1.34 <kg>
300
⋅ 0.0037
0.83
(21)
1.34 kg
(Rendimiento del humidificador) = 0.5 hours = 2.68
= 3.0 <kg/h>
(22)
(Cantidad de humedad requerida)<kg>
(Capacidad de la habitación) <m3>
=
(19)
× x
0,83
0,83
Valor estándar del volumen específico
<m3/kg>
x
Diferencia de la humedad absoluta
<kg/kg´> (Fig. 3.8.3)
Ejemplo de cantidad de humedad mientras
comienza la calefacción
1 Aire interior mientras comienza la calefacción.
2 Condiciones de diseño interior.
eje x = Humedad (%)
eje y = Temperatura (ºC)
(Rendimiento requerido del humidificador) <kg/h>
)
%
=45
1
Cantidad de humidificación mientras comienza
la calefacción
1 Aire interior al comenzar la calefacción.
2 Condiciones de diseño interior (Tabla 1.1)
t=8,0
Fig. 3.8.4
x
2
1
2
Paralela a la línea de escala
de humedad absoluta x
Fig. 3.8.3
Aire interior al comienzo de la
calefacción.
Temperatura de bulbo seco 8,0ºC
Temperatura de bulbo húmedo 4,0 ºC
Condición de diseño para calefaccionar
el aire interior
Temperatura de bulbo seco 21,0ºC
ϕ = 45%
Capacidad de la habitación 300 m3
Tiempo en que aumenta la temperatura
de la habitación 30 minutos (0,5 horas)
Encuentre el rendimiento del humidificador en este
momento.
(ejemplo)
30
t =21,0
x=0,0037
(
(20)
4,0
(Cantidad de humedad requerida)<kg>
Tiempo desde el inicio de la calefacción
hasta que la temperatura de la habitación <h>
alcance un valor uniforme
t ’=
=
(3) Recalentando y rehumidificando
En este momento, encuentre el punto de estado (2)
del aire de entrada deseado usando el valor más
pequeño de la carga interior esperada. Luego,
encuentre el punto de condición de entrada de aire
(2e) del acondicionador de aire cuya capacidad se
puede controlar usando el valor de capacidad más
pequeña.
Se debe tener cuidado el recalentamiento, dado que
variará en un alto grado dependiendo de si el agua
usada para rehumidificar son gotas de agua (niebla)
o vapor de agua.
Además, cuando la mayor parte de la carga de
refrigeración interior es carga de calor latente
(aumenta el vapor de agua), la temperatura del aire
de entrada del acondicionador de aire será casi
igual a la temperatura del aire interior y será
necesario sólo para el condensado de la humedad.
Cuando esto ocurre, recaliente el aire que sale del
refrigerador y provea este aire al interior. Esta es
una operación de secado común.
Concepto de recalentado y rehumidificado
Generalmente hablando, para seleccionar un
acondicionador de aire que pueda obtener una
provisión de aire acondicionado idéntica a la
deseada, que corresponda al mayor valor de carga
de refrigeración interior o a una temperatura y
humedad un poco menor que esa. Dependiendo del
tiempo, estación, y factores interiores (cantidad de
gente, iluminación, maquinaria) la carga de
refrigeración interior variará. Debido a esto, las
condiciones deseadas de acondicionamiento de aire
que corresponden a esto también cambiarán. Es
difícil cambiar la provisión de aire del equipo a
menos que las condiciones de succión de aire del
refrigerador, el suministro de aire y las condiciones
de aire exterior sean cambiadas.
Por lo tanto, cuando una carga de refrigeración
interior es pequeña, la temperatura de aire interior
y humedad caerán por debajo de los valores
configurados. Entonces, este es un método para
encontrar, en un acondicionador de aire ordinario,
la temperatura de bulbo seco y detener el
acondicionador de aire como sea necesario. Para
este caso, la humedad no es tenida en cuenta.
Sin embargo, cuando usted desea controlar
cuidadosamente la temperatura y humedad, el aire
de entrada del acondicionador de aire (aire de
provisión del equipo) debe cumplir las condiciones
de ingreso del aire deseado que corresponda a la
carga de refrigeración interior. Por lo tanto, el aire
que sale del refrigerador debe ser calentado y
humidificado (recalentado y rehumidificado)
Referencia
(1) Sociedad Japonesa de Ingenieros en
Acondicionamiento de Aire : Diagramas de aire
húmedo h-x (1994)
2
Aire de entrada deseado
2 e Aire de entrada del equipo
3
Punto de condición después del recalentado
(Subíndice S Vapor de agua, W humedad)
x
hw
h Cantidad de recalentado (subíndices igual que arriba)
Carga de 3 s a 2
Carga de 3 w a 2
hs
2
2
e
3
s
3
w
Fig. 3.8.5
31
4. Cálculos de Carga de Acondicionamiento de Aire y Selección de Modelo
Carga del dispositivo = carga interior + carga de aire exterior (2)
<W>
<W>
<W>
Carga interior: Cantidad de energía de calor
sensible y calor latente que afecta
directamente la temperatura y
humedad del aire interior.
Carga de aire exterior:
Diferencia entre el calor sensible y
el calor latente del aire exterior y
aquel del aire interior con la
entrada directa del aire exterior en
el acondicionador de aire con el
propósito de ventilación.
Esta carga es cero cuando no se
absorbe aire exterior dentro del
acondicionador de aire.
A fin de mantener la temperatura y humedad del
aire interior a los niveles deseados, el proceso de
acondicionamiento de aire usa el efecto de enfriar
o calentar el aire descargado desde un dispositivo
acondicionador de aire (de ahora en adelante “aire
acondicionado” - Un acondicionador de aire
comercial es un típico ejemplo) a fin de evitar el
intercambio de calor sensible y calor latente, el
cual afecta directamente la temperatura y
humedad de este aire interior.
Un acondicionador de aire trabaja tanto enfriando
y deshumidificando o calentando y humidificando
el aire de entrada a fin de crear aire fresco o
cálido, el cual se descarga (o envía) como un
vapor de aire al entorno interior. De acuerdo a
eso, se deben satisfacer las siguientes relaciones
(en total, e individualmente para ambos calores
sensible y latente) en términos de rendimiento de
calefacción o refrigeración y la carga colocada en
el mismo dispositivo.
Rendimiento de calefacción o refrigeración del dispositivo <W> (1)
≥ Carga del dispositivo <W>
En dónde:
Nota: El aire interior es también afectado
directamente por las filtraciones de aire y
otras causas tales como aire exterior que
ingresa al entorno interior directamente sin
pasar a traves del acondicionador de aire.
Por esta razón, la carga correspondiente
debe ser tratada como una porción de la
carga interior - y no de la carga de aire
exterior - para el propósito de los cálculos.
Los cálculos de arriba deben ser todos
efectuados basados en las condiciones de
diseño.
4.1 Generalidades de la
Selección de un Sistema
Acondicionador de Aire
4.1.1 Procedimiento Típico de
Selección de Sistema
Los factores resumidos en el siguiente diagrama
de flujo deben ser evaluados cuando se
seleccionan dispositivos acondicionadores de aire.
Condiciones de construcción
Condiciones de uso
Fuentes de alimentación
Fuentes de calor
Método de transferencia
de calor
Método de
acondicionamiento de aire
Método de puerto de
descarga
Condiciones de carga de calor
Requerimientos del usuario
Evaluación del sistema acondicionador de aire
Características de diferentes
sistemas acondicionadores de aire
Presupuesto
Carga de acondicionamiento
de aire
Fuentes de alimentación
Punto de instalación
Ruido de operación
Requerimientos adicionales
de rendimiento
Accesorios
Trabajo requerido en la
vecindad del punto de instalación
Selección de sistema
Selección de modelo
32
4.1.2 Procedimiento de selección de Modelo
Abajo se presenta un ejemplo de selección de modelo como aplicable a acondicionadores de aire compactos
y otros estandarizados, dispositivos acondicionadores de aire tipo unidad.
Cálculo de carga
Catálogos y hojas de especificaciones
Condiciones de instalación
Cálculo de objetivo
Punto de instalación
Cálculo simple
Flujo de aire y puertos de descarga
Cálculo detallado
Fuentes de alimentación
Selección primaria de modelo
Niveles de temperatura
de servicio y humedad
Longitud de tuberías de refrigerante
Corrección de valor de rendimiento
Selección final de modelo
Dibujo de plan de diagramación
Estimación de dispositivo y trabajo de instalación
Recepción de órdenes
Preparación de diagramas de trabajo
33
A pesar que el calor radiante que pasa a través del
vidrio de la ventana y genera calor en el interior
Como se muestra en la Fig. 4.2.1. la carga interior
aumentando el rendimiento de calefacción cuando
se compone de calor conductivo (calor sensible)
el acondicionador de aire está en modo
intercambiado mediante elementos tales como
calefacción, estas formas de calor no están
cielorraso, piso, paredes y vidrios de ventanas que
siempre disponibles y por lo tanto, no son
forman divisiones entre el interior y el exterior de
removidas de las otras cargas de calefacción en
la habitación; calor de radiación (calor sensible)
los cálculos regulares de carga de calefacción. De
que ingresa a la habitación a través del vidrio de la
acuerdo a esto, los correspondientes cálculos
ventana; calor convectivo (carga de aire exterior
pueden ser omitidos.
en forma de calor sensible o latente) ingresado en
Más aún, en casos en donde el sistema
reemplazo de aire debido a la acción de
acondicionador de aire contiene una unidad de
filtraciones de corrientes de aire, ventilación y
manejo de aire con un motor soplador, y otros
similares; calor generado internamente (calor
dispositivos similares, el calor producido por estos
sensible o una combinación de calor sensible y
dispositivos deberá normalmente ser incluido en
latente) producido por personas, equipos de
la carga total de refrigeración interior.. Sin
iluminación, otros dispositivos eléctricos,
embargo, dado que el rendimiento de refrigeración
quemadores, y similares ubicados dentro de la
declarado de tales acondicionadores de aire ya
habitación; y las pérdidas de ducto (calor sensible
tiene en cuenta la carga asociada con el soplador y
y latente) como resultado de del calor conductivo
demás dispositivos similares, no hay necesidad
del aire que pasa a través de algún ducto que haya
particular para esta carga de ser incluida en los
sido instalado.
cálculos del rendimiento de refrigeración.
Carga de refrigeración = calor conductivo + calor radiante + calor convectivo + calor generado internamente + (pérdida del ducto)
4.2 Concepto de Carga Interior.
Carga de calefacción = calor conductivo + calor convectivo + (pérdida del ducto) - calor generado internamente
El calor generado internamente generalmente
no es sustraído cuando se calcula la carga de
calefacción: sin embargo, este valor puede ser
sustraído si se requiere un cálculo más preciso.
Además, la refrigeración puede ser necesitada
en casos en donde el calor generado
internamente es excesivamente grande.
Vista de planta de un edificio
Vista seccional de un edificio
Habitación adjunta no refrigerada
Cielorraso
Habitación adjunta 3
no refrigerada
7
Vidrio de
ventana
1
2
6
3
9
0
Pared
9
Piso
6
Puerto de entrada de
aire exterior requerido
8
Habitación refrigerada
6
4
Techo
Sol
3
Cielorraso
Cuando la habitación de
abajo no es refrigerada
Cuando la habitación de abajo es refrigerada 5
5
Filtración entrando por una ventana
6
6
Piso en contacto con la tierra (o primer piso)
Filtración generada al abrir o cerrar una puerta
1 Calor radiante (sensible), 2 Calor conductivo (sensible), 3 Calor conductivo (sensible), 4 Calor conductivo (sensible),
5 Calor conductivo (sensible), 6 calor convectivo (sensible + latente), 7 Persona en la habitación (sensible + latente),
8 Equipo de iluminación (sensible), 9 Dispositivos y ajustes (sensible + latente), 10 calor convectivo (sensible + latente)
Fig. 4.2.1 Concepto de carga interior (Este diagrama muestra la situación para refrigeración. En caso
de calefacción, la dirección de los ítems diferentes de (1), (7), (8) y (9) es inversa).
34
utilizando una calculadora.
(2) Cálculo de la carga estable
La suposición inicial del método de cálculo de la
carga estable es tal que, en cualquier punto
específico en el tiempo, las condiciones son
instantáneamente estables; de acuerdo a eso, no
tiene en cuenta las capacidades de almacenamiento
de calor. Los cálculos de carga estable pueden
fácilmente efectuarse a mano utilizando una
calculadora.
(3) Cálculo de carga simple
El estándar HASS108 como fue publicado por la
Sociedad de Ingenieros de Calefacción, Aire
Acondicionado y Sanitarios de Japón, fue
actualizada en 1989 para enfatizar el uso de los
métodos de diseño para calcular las cargas
máximas de calefacción, uno de los cuales fue el
método simple de cálculo de cargas.
(4) Cálculo de cargas de calefacción simple y
refrigeración-calefacción
El HASS109 fue usada como un medio de efectuar
una guía (ej aproximada) de cálculos hasta 1993,
cuando fue cambiada por la HASS112
(proveyendo el método para cálculo de cargas de
calefacción simple y de calefacción-refrigeración)
en línea con una revisión de los estándares HASS.
En el 2000, estos estándares fueron nuevamente
actualizados a la HASS112-2000, y sus métodos
son descriptos abajo con referencia específica a los
cálculos de carga.
El calor desde varias partes de la habitación, como
se muestra en la Fig. 4.3.1 es calculado en la base
de ubicación específica y tiempo específico, se
determina un total para cada punto en el tiempo y
el mayor de los totales es designado como la carga.
Más específicamente, todos los factores de carga
similares a aquellos mostrados en la Fig. 4.3.1. son
calculados y el total es así determinado.
Sin embargo, se requerirá un esfuerzo significativo
a fin de determinar la construcción, materiales y
dimensiones de cada parte de la habitación y para
efectuar los cálculos para cada punto específico en
el tiempo. Se han desarrollado métodos que
permiten completar el cálculo en forma rápida pero
con un alto grado de precisión.
4.3 Tipos de Cálculos de Carga
En el presente, los siguientes cuatro métodos de
cálculo de cargas son ampliamente implementados
de acuerdo con la escala, aplicación, y
requerimientos de acondicionamiento de aire del
edificio sujeto.
(1) Cálcula de la carga transitoria
El método de cálculo de carga transitoria tambien
tiene en cuenta la habilidad de cada una de las
secciones del edificio para almacenar calor en
respuesta al cambio condiciones exteriores
transitorias continuamente cambiantes.
Mientras que generalmente se utilizan
computadoras para efectuar los cálculos, los
mismos pueden efectuarse manualmente
Carga de cielorraso = Superficie del área × coeficiente de transmisión de calor general × diferencia de temperatura interna/externa
Esta carga es cero si el piso de arriba está acondicionado del mismo modo y al mismo tiempo que el piso en cuestión.
(calefacción)
Carga de techo = Superficie del área × coeficiente de transmisión de calor general × diferencia de temperatura interna/externa,
(refrigeración) diferencia de temperatura equivalente de aire exterior,
o diferencia de temperatura efectiva
El término diferencia de temperatura de aire exterior equivalente se refiere a la diferencia entre la temperatura
interior y la temperatura de superficie del techo y paredes exteriores cuando se calientan por la radiación solar.
La diferencia de temperatura efectiva se calcula mediante la conversión del espacio de tiempo asociado con la
capacidad térmica de la construcción y, por lo tanto, este valor es usado en el cálculo de la carga de refrigeración.
Calor generado internamente (calor sensible + calor latente)
(calefacción)
diferencia de temperatura interna/externa,
Carga de pared exterior = Superficie del área × coeficiente de transmisión de calor general × diferencia de temperatura equivalente de aire exterior,
o diferencia de temperatura efectiva
(refrigeración)
Carga de ventana (porción conductiva térmica) = Superficie del área × coeficiente de transmisión de calor general × diferencia de temperatura interna/externa
Carga de ventana (porción radiación térmica) = Superficie del área × calor de radiación obtenido × coeficiente de blindaje
Carga de ventilación (reemplazo de aire interior con aire exterior debido a la acción de filtraciones, apertura y cierre de puertas, etc.)
= 1,2 × cantidad de ventilación × diferencia en energía térmica entre el aire interior y exterior ×
Cantidad de ventilación = Capacidad ambiente (o volumen) × frecuencia de ventilación (varía con respecto a la construcción de ventanas y puertas,
y la frecuencia en las que son abiertas y cerradas)
[veces / h]
Si hay presentes equipos de ventilación mecánica, también se debe agregar la correspondiente cantidad de ventilación.
Carga de piso y partición (o pared) = Superficie del área × coeficiente de transmisión de calor general × diferencia de temperatura interna/externa
Fig. 4.3.1 Principios de cálculo de carga de calefacción (El coeficiente de transmisión de calor general y diferencia de temperatura
de aire exterior, etc. De la fórmula de arriba deben ser calculados individualmente para cada estructura edilicia diferente).
35
4.4.1 Oficina
4.4. Cálculo de Carga de
Calefacción Simple y
Refrigeración-Calefacción
1.1 Diseño Estándar de Oficina
Las condiciones estándar de diseño para
oficina se presentan abajo. En el caso de
condiciones de diseño no estándar, se efectúa
la corrección a fin de determinar la máxima
carga térmica.
(1) Condiciones del edificio
(a) Lugar: Tokio
(b) Cobertura externa estándar
Coeficiente de transmisión de calor
general de ventana de simple vidrio
(transparente; lo mismo se aplica de
ahora en adelante) y paredes
exteriores:
1,6W (m2•k)
(2) Condiciones interiores
(a) Temperatura y humedad interior
Refrigeración: 26ºC, 50%
Calefacción: 22ºC, 50%
(b) calor generado interior
Debido a los equipos de iluminación
y otros dispositivos: 25W/m2
Personas presentes: 0,2 por m2
La norma HASS112-2000 tal como la publicó la
Sociedad de Ingenieros en Calefacción,
Acondicionamiento de Aire y Sanidad de Japón es
una revisión de la HASS112-1993 y establece un
método para cálculo simple de cargas de refrigeración
y calefacción. Las características del método de la
HASS112-2000 se describen a continuación.
1 Este método de cálculo usa patrones a fin de
mejorar la precisión del cálculo de cargas, y luego
de su adopción, es importante que se entiendan
completamente las condicones estándar y que los
resultados obtenidos sean evaluados de modo
extenso.
2 Este método usa la carga total de calefacción. De
acuerdo a esto, no puede ser aplicado en
situaciones en donde la carga de calor sensible o la
carga de calor latente deban ser manejadas por
separado. Se debe utilizar un sistema de cálculo
diferente en tal caso.
3 Cuando se efectúan cálculos para oficinas, cada
zona de acondicionamiento de aire es separada en
perímetro y zonas interiores.
4 Cuando se aplica este método, se selecciona la
máxima cantidad de cargas térmicas bajo
condiciones de diseño estándar, se determina las
correspondientes cargas térmicas de corrección y se
efectúa la corrección basado en el formato del
sujeto de cálculo.
(3) Condiciones de acondicionamiento de aire
(a) Método Instalación de zona perimetral
(profundidad 5m) y
acondicionadores de aire de zona
interior.
Cada acondicionador de aire
soportará la carga de la habitación
y la carga del aire exterior de la
zona correspondiente.
(b)Método de operación
Acondicionamiento de aire
intermitente: 1-hora pre refrigeración
y pre calefacción
(c)Volumen de aire exterior
1,1 l/(m2•s)
[4m3/(m2•h)]
(d)No se utilizarán intercambiadores de calor
de entalpía total.
<Método Básico de Cálculo>
Carga de refrigeración y calefacción (Q) [W] =
Superficie del piso (A) [m2] × carga de refrigeración y
calefacción por unidad de área (q) [W/m2]
carga de refrigeración y calefacción por unidad de
área
q [W/m2] = q0 + Σqi
en dónde:
1.2 Máxima Carga Térmica
Las tablas 4.4.1 y 4.4.2 son tablas de cálculo
simple para máxima carga térmica.
A pesar de que la HASS112-2000 presenta
máxima carga térmica y cargas térmicas de
corrección por separado, las mismas están
combinadas en estas tablas y también se
provee una sección de Tabulación y
Totalización a fin de simplificar el cálculo de
q: Máxima carga térmica por unidad de superficie de
de piso un cada perímetro y zona interior
q0: Máxima carga térmica bajo condiciones estándar
de diseño [W/m2]
qi: Factor específico de corrección de cargas térmicas
[W/m2]
"Sujeto"
1) Oficina
36
Tabla 4.4.1 Oficina: Tabla de cálculo simple para carga térmica en modo refrigeración (HASS112-2000)
Máxima
carga
térmica
estándar q0
Sin
Relación de
Cobertura superficie
de ventanas
30%
45%
60%
30%
45%
60%
Con
Relación de
Cobertura superficie
de ventanas
Calor desde 25W/m2
luminarias y
otros equipos 50W/m2
Personas
presentes
0,1 por m2
0,2 por m2
Volumen de 0,6L /(m2 . s){2m3/(m2
aire exterior 1,1L /(m2 . s){4m3/(m2
Valor de
1,4L /(m2 . s){5m3/(m2
Corrección q0
Temperatura 24ºC
ambiente
26ºC
28ºC
Calor desde q
[W/m2]
L
Cargas
térmicas de
corrección
. h)}
. h)}
. h)}
luminarias y
otros equipos
Fórmula de
corrección
Personas
presentes
M
Volumen de QOA
aire exterior
[personas /m2]
[L /(m2.s)]
[m3/(m2.h)]
[ºC]
Temperatura ambiente Tr
Tabulación y Totalización
Superficie del piso (A)
Valor de corrección total: qk
Carga térmica estándar + valor de corrección: q = q0 + qk
Carga térmica en modo refrigeración: Q = q ×A
Coeficiente de corrección regional (β)
Carga térmica máxima final: Q × β
Perímetro
Dirección principal de ventanas
Interior
Sur
Oeste Norte
Este
Carga térmica [W/m2]
126
138
99
122
140
161
107
138
154
184
115
153
92
93
112
97
97
101
129
99
107
109
147
102
117
0
0
29
29
12
12
0
0
11
12
0
0
6
6
14
10
0
0
14
10
1,2 × (qL− 25)
1,2 × (qL 25)
120 × (M− 0,2)
120 × (M− 0,2)
20 × (QOA− 1,1)
5,5 × (QOA− 4)
7,0 × (26− Tr)
Sur
Oeste Norte
22 × (QOA− 1,1)
6,0 × (QOA− 4)
5,0 × (26− Tr)
Este
[ m2 ]
[ W/m2 ]
[ W/m2 ]
[W]
[W]
Nota 1: La relación de superficie de ventana se calcula usando la siguiente fórmula.
Relación de superficie de ventana = Superficie de ventana / (superficie de ventana + superficie de pared exterior +
superficie de pared exterior bajo techo) × 100
Nota 2: Si se utilizarán intercambiadores de calor de entalpía total, deberá aplicarse el siguiente factor de corrección al
volumen de aire exterior y la corrección será efectuada de acuerdo con la fórmula de corrección de la tabla de arriba.
k = 1 - η en dónde k es el coeficiente de corrección de volumen de aire exterior y η es la eficiencia del intercambiador
de calor de entalpía total.
37
Tabla 4.4.2 Oficina: Tabla de cálculo simple para carga térmica en modo calefacción (HASS112-2000)
Aislación
térmica
exterior
Alta
Máxima
carga
térmica
estándar q0
Aislación
térmica
exterior
Media
Aislación
térmica
exterior
Baja
Cargas
térmicas de
corrección
Volumen de
aire exterior
Temperatura
Valor de
ambiente
corrección qk
Profundidad 8
Piso
intermedio de habitación 12
(m) 16
20
8
12
Piso
16
superior
20
8
Piso
12
intermedio
16
20
8
Piso
12
superior
16
20
8
Piso
12
intermedio
16
20
8
Piso
12
superior
16
20
0,6L /(m2• s){2m3/(m2 •h)}
1,1L /(m2• s){4m3/(m2 •h)}
1,4L /(m2• s){5m3/(m2 •h)}
20ºC
22ºC
24ºC
QOA [L /(m2•s)]
[m3/(m2•h)]
[ºC]
Tr
Volumen de
aire exterior
Temperatura ambiente
Tabulación y Totalización
[m2]
Superficie del piso (A)
[W/m2]
Valor de corrección total: qk
Carga térmica estándar + valor de corrección: q = q0 +Σqk [W/m2]
Carga térmica en modo calefacción: Q = q × A [W]
Coeficiente de corrección de tiempo de precalentado (α)
Coeficiente de corrección regional (β)
Carga térmica máxima final: Q × α × β [W]
Fórmula de
corrección
Perímetro
Dirección principal de ventanas
Interior
Sur
Oeste Norte
Este
Carga térmica [W/m2]
115
131
128
107
110
103
119
116
95
87
96
112
109
88
76
91
107
104
83
69
145
129
142
121
127
117
133
130
109
104
110
126
123
102
93
105
121
118
86
97
130
146
143
118
122
118
134
131
95
110
111
127
124
84
103
106
122
119
77
98
144
160
157
135
136
132
148
145
112
124
125
141
138
101
117
120
136
94
133
112
145
161
126
158
137
133
149
103
146
125
126
142
92
139
118
121
85
137
134
113
159
143
175
172
151
147
120
163
160
139
140
109
156
153
132
135
102
151
148
127
16
16
0
0
8
8
16
13
0
0
16
13
29 × (QOA-1,1)
29 × (QOA -1.1)
8,0 × (QOA− 4)
8,0 × (QOA− 4)
8,0 × (Tr −22)
8,0 × (Tr− 22)
Sur
Oeste Norte
Este
Nota 1: El coeficiente de corrección para los casos en que se utilizará intercambiador de calor de entalpía total se calcula del
mismo modo que se describió antes para refrigeración.
Nota 2: El término "aislación térmica exterior" se refiere al rendimiento total de ventanas y paredes exteriores en términos de
aislación térmica.
Se debe efectuar la selección de aislación térmica exterior alta, media o baja de acuerdo a la Fig. 4.4.1.
Nota 3: El término "profundidad de habitación" no se refiere a la profundidad de la zona, sino que indica la distancia hasta la
pared interior posterior. En el caso de habitaciones de esquina, la fórmula [profundidad de cuarto = superficie de piso /
longitud de pared exterior] deberá ser utilizada para calcular una profundidad equivalente.
38
1.3 Coeficientes de Corrección
Coeficiente de Corrección para Tiempo de
Pre-Calentamento (para sólo calefacción)
Tabla 4.4.3
Aislación térmica exterior
Alta
Media
Gráfico de Estimación para Aislación Térmica Exterior
(sólo para calefacción)
Tiempo de precalentamiento 30 minutos 1 hora 1,5 horas 2 horas 3 horas
Coeficiente de corrección 1,22 1,0 0,91 0,85 0,77
Cubierta aislante exterior
Media
Baja
Coeficiente de Corrección Regional
(para calefacción y refrigeración)
Tabla 4.4.4
Región Modo refrigeración Modo calefacción
To kyo
Osaka
Fukuoka
Naha
1,00
1,09
1,16
1,16
1,00
1,00
0,98
0,49
Alta
Región Modo refrigeración Modo calefacción
Sapporo 0,92
1,43
1,14
Sendai 1,03
1,02
Nigata 1,02
1,07
Nagoya 1,17
Relación de superficie de ventana
60%
45%
30%
(ventana doble vidriada)
%
0
na 6
venta
e
d
e
%
erfici
45
e sup
ión d
Relac
%
30
(ventana simple vidriada)
0 0,5 1,0 1,5 2,0 2,5 3,0 3,5 4,0
Coeficiente de transmisión térmica gneneral de paredes exteriores [W/ (m2 • K)]
Usando este gráfico
Primero que nada, seleccione el gráfico
específico para usar basado en si las ventanas
en cuestión son simple o doble vidriada.
Luego, use los valores relevantes para el
coeficiente de transmisión térmico de pared
exterior y relación de superficie de ventana
para determinar desde el eje izquierdo si la
aislación térmica exterior cae dentro del rango
Alto, Medio o Bajo. Por ejemplo, para el caso
de ventanas simples vidriadas, un coeficiente
de transmisión de pared exterior de
1,2 W/(m2 • K), y una relación de superficie
de ventana del 60%, el gráfico correspondiente
indica que el nivel de aislación térmica
exterior es Medio.
Fig. 4.4.1 Gráficos de estimación para
aislación térmica exterior
39
• Construcción de cinco pisos para alquiler de
departamentos: Oficina en el 3er piso
• Profundidad de zona de perímetro: 5m
Altura de cada piso: 3m Altura de cielorraso: 2,7m
• Región: Tokio
• Cobertura exterior estándar
Relación de superficie de ventana: 45%
Cobertura: Ninguna
Nivel del piso: Piso intermedio
Aislación: Simple vidriado
Coeficiente de transmisión de calor
general de paredes exteriores:
1,6W/m2•K
Nivel de aislación térmica exterior:
Media
• Condiciones de Refrigeración
Interior: 26ºC BS, 50%
Exterior: 33ºC BS
• Condiciones de calefacción
Interior: 22ºC BS, 50%
Exterior: -2ºC BH
• Calor generado interior
Debido a los equipos de iluminación y
otros dispositivos 25W/m2
Personas presentes: 0,2 por m2
• Método de acondicionamiento de aire
Instalación de acondicionadores en el perímetro y
zonas interiores.
Cada acondicionador de aire soportará la carga del
ambiente y la carga de calor exterior de la
correspondiente zona.
• Método de operación
Acondicionamiento de aire intermitente
(precalentado: 30 minutos)
• Volumen de aire exterior: 4m3/m2·h)
• Intercambiadores de calor de entalpía total:
No serán usados
4.5 Selección de Modelo
A fin de proveer ejemplos de selección de modelos,
el Problema de Práctica 1 tratará con un
acondicionador de aire tipo compacto para una
oficina o pequeño almacén, y el Problema Práctico 2
tratará con una selección para una residencia
construida en madera.
Después de la determinación de los valores deseados
a través del cálculo de carga simple, los resultados
luego son aplicados en el proceso de selección de
modelo.
Dado que la corrección de valor de rendimiento
forma parte de la selección de modelo, el proceso se
describirá con referencia al gráfico de Corrección de
Valor de Rendimiento y Selección de Modelo. El
medio de aplicación de este gráfico será descripto en
términos específicos como parte de la solución del
Problema Práctico 1.
4.5.1. Problema Práctico 1
(Ejemplo de cálculo de carga térmica y selección de
modelo para una oficina)
Aplicación del Método de Cálculo de Cargas
para Calefacción Simple y
Refrigeración-Calefacción para Oficina
(1) Especificaciones del edificio
N
Cassette de Cielorraso Mr. Slim
Corredor (sin aire acondicionado)
12m
Zona interior
14m
Zona perimetral
Calzada
Calzada
7m
(2) Problema
Calcule las cargas térmicas de calefacción y
refrigeración y luego seleccione el modelo de casete
de cielorraso (descarga de 4 vías) requerido para los
acondicionadores de aire Mr. Slim.
(Serán usados los tipo uno a uno, y la selección de
modelo se efectuará con la zona interior y la zona de
perímetro sur como caso de ejemplo).
Note, sin embargo, que la unidad exterior deberá ser
intalada en el techo del 5to piso, y por lo tanto,
deberá tener la longitud estándar de 30m con curvas
en 10 ubicaciones separadas.
Esta es una habitación de esquina; de acuerdo a ello,
se debe utilizar una profundidad de habitación
equivalente.
24m
Calzada
Fig. 4.5.1
40
(3) Cálculos de Carga (solución para el Problema Práctico 1)
Tabla 4.5.1 Oficina: Tabla de cálculo simple para carga térmica en modo refrigeración (HASS112-2000)
Máxima
carga
térmica
estándar q0
Sin
Relación de
Cobertura superficie
de ventanas
30%
45%
60%
30%
45%
60%
Con
Relación de
Cobertura superficie
de ventanas
Calor desde 25W/m2
luminarias y
otros equipos 50W/m2
Personas
presentes
0,1 por m2
0,2 por m2
Volumen de 0,6L /(m2 . s){2m3/(m2
aire exterior 1,1L /(m2 . s){4m3/(m2
Valor de
1,4L /(m2 . s){5m3/(m2
Corrección q0
Temperatura 24ºC
ambiente
26ºC
28ºC
Calor desde q
[W/m2]
L
Cargas
térmicas de
corrección
. h)}
. h)}
. h)}
luminarias y
otros equipos
Fórmula de
corrección
Personas
presentes
M
Volumen de QOA
aire exterior
[personas /m2]
[L /(m2.s)]
[m3/(m2.h)]
[ºC]
Temperatura ambiente Tr
Tabulación y Totalización
Superficie del piso (A)
Valor de corrección total: qk
Carga térmica estándar + valor de corrección: q = q0 + qk
Carga térmica en modo refrigeración: Q = q ×A
Coeficiente de corrección regional (β)
Carga térmica máxima final: Q × β
Perímetro
Dirección principal de ventanas
Interior
Sur
Oeste Norte
Este
Carga térmica [W/m2]
126
138
99
122
140
161
107
138
154
184
115
153
92
93
112
97
97
101
129
99
107
109
147
102
117
0
0
29
29
12
12
0
0
11
12
0
0
6
6
14
10
0
0
14
10
1,2 × (qL− 25)
1,2 × (qL 25)
120 × (M− 0,2)
120 × (M− 0,2)
20 × (QOA− 1,1)
5,5 × (QOA− 4)
7,0 × (26− Tr)
Sur
Oeste Norte
22 × (QOA− 1,1)
6,0 × (QOA− 4)
5,0 × (26− Tr)
Este
m2 ]
[
[ W/m2 ]
[ W/m2 ]
[W]
[W]
Nota 1: La relación de superficie de ventana se calcula usando la siguiente fórmula.
Relación de superficie de ventana = Superficie de ventana / (superficie de ventana + superficie de pared exterior +
superficie de pared exterior bajo techo) × 100
Nota 2: Si se utilizarán intercambiadores de calor de entalpía total, deberá aplicarse el siguiente factor de corrección al
volumen de aire exterior y la corrección será efectuada de acuerdo con la fórmula de corrección de la tabla de arriba.
k = 1 - η en dónde k es el coeficiente de corrección de volumen de aire exterior y η es la eficiencia del intercambiador
de calor de entalpía total.
41
Gráfico de Estimación para Aislación Térmica Exterior
Correcciones (solución para el Problema Práctico 1)
Aislación térmica exterior
Alta
Media
Coeficiente de Corrección de Tiempo de Precalentado
(sólo para calefacción)
Corrección de acuerdo a la Tabla 4.5.2
Outer-covering insulation
Media
Baja
Tiempo de precalentamiento 30 minutos 1 hora 1,5 horas 2 horas 3 horas
Coeficiente de corrección 1,22 1,0 0,91 0,85 0,77
Coeficiente de Corrección Regional
Región Modo refrigeración Modo calefacción
Sapporo 0,92
1,43
Sendai 1,03
1,14
Nigata 1,02
1,02
Nagoya 1,17
1,07
Alta
Corrección de acuerdo a la Tabla 4.5.3
Región Modo refrigeración Modo calefacción
Tokyo
Osaka
Fukuoka
Naha
1,00
1,09
1,16
1,16
Relación de superficie de ventana
60%
45%
30%
(ventana doble vidriada)
R
e
erfici
e sup
nd
elació
%
0
na 6
nta
de ve
%
45
%
30
(ventana simple vidriada)
0 0,5 1,0 1,5 2,0 2,5 3,0 3,5 4,0
Coeficiente de transmisión térmica gneneral de paredes exteriores [W/ (m2 • K)]
1,00
1,00
0,98
0,49
Usando este gráfico
Primero que nada, seleccione el gráfico
específico para usar basado en si las ventanas
en cuestión son simple o doble vidriada.
Luego, use los valores relevantes para el
coeficiente de transmisión térmico de pared
exterior y relación de superficie de ventana
para determinar desde el eje izquierdo si la
aislación térmica exterior cae dentro del rango
Alto, Medio o Bajo. En el caso del Problema
de Práctica 1, en donde las ventanas son
simples vidriadas, el coeficiente
de transmisión de pared exterior de
1,6 W/(m2 • k), y la relación de superficie
de ventana del 45%, el gráfico correspondiente
indica que el nivel de aislación térmica
exterior es Medio.
Fig. 4.5.2 Corrección de acuerdo a los
gráficos de estimación para
aislación térmica exterior
42
Cálculo de carga (solución para el Problema Práctico 1)
Tabla 4.5.4 Oficina: Tabla de cálculo simple para carga térmica en modo calefacción (HASS112-2000)
Aislación
térmica
exterior
Alta
Máxima
carga
térmica
estándar q0
Aislación
térmica
exterior
Media
Aislación
térmica
exterior
Baja
Cargas
térmicas de
corrección
Volumen de
aire exterior
Temperatura
Valor de
ambiente
corrección qk
Profundidad 8
Piso
intermedio de habitación 12
(m) 16
20
8
12
Piso
16
superior
20
8
6
Piso
12
intermedio
16
20
8
Piso
12
superior
16
20
8
Piso
12
intermedio
16
20
8
Piso
12
superior
16
20
2
3
2
0,6L /(m • s){2m /(m •h)}
1,1L /(m2• s){4m3/(m2 •h)}
1,4L /(m2• s){5m3/(m2 •h)}
20ºC
22ºC
24ºC
QOA [L /(m2•s)]
[m3/(m2•h)]
[ºC]
Tr
Volumen de
aire exterior
Temperatura ambiente
Tabulación y Totalización
[m2]
Superficie del piso (A)
[W/m2]
Valor de corrección total: qk
Carga térmica estándar + valor de corrección: q = q0 +Σqk [W/m2]
Carga térmica en modo calefacción: Q = q × A [W]
Coeficiente de corrección de tiempo de precalentado (α)
Coeficiente de corrección regional (β)
Carga térmica máxima final: Q × α × β [W]
Fórmula de
corrección
Perímetro
Dirección principal de ventanas
Sur
Oeste Norte
Este
Carga térmica [W/m2]
115
131
128
107
103
119
116
95
96
112
109
88
91
107
104
83
145
129
142
121
117
133
130
109
110
126
123
102
105
121
118
97
146 136130
128 122 49143
118
134
131
110
111
127
124
103
106
122
119
98
144
160
157
136
132
148
145
124
125
141
138
117
120
136
133
112
145
161
158
137
133
149
146
125
126
142
139
118
121
137
134
113
159
172
175
151
147
163
160
139
140
156
153
132
135
151
148
127
16
0
8
16
0
16
29 × (QOA-1,1)
8,0 × (QOA− 4)
8,0 × (Tr −22)
Sur
Oeste Norte
Este
Interior
110
87
76
69
127
104
93
86
129.5 118
95
84
77
135
112
101
94
126
103
92
85
143
120
109
102
16
0
8
13
0
13
29 × (QOA -1.1)
8,0 × (QOA− 4)
8,0 × (Tr− 22)
Nota 1: El coeficiente de corrección para los casos en que se utilizará intercambiador de calor de entalpía total se calcula del
mismo modo que se describió antes para refrigeración.
Nota 2: El término "aislación térmica exterior" se refiere al rendimiento total de ventanas y paredes exteriores en términos de
aislación térmica.
Se debe efectuar la selección de aislación térmica exterior alta, media o baja de acuerdo a la Fig. 4.5.2.
Nota 3: El término "profundidad de habitación" no se refiere a la profundidad de la zona, sino que indica la distancia hasta la
pared interior posterior. En el caso de habitaciones de esquina, la fórmula [profundidad de cuarto = superficie de piso /
longitud de pared exterior] deberá ser utilizada para calcular una profundidad equivalente.
En el caso de este problema, la profundidad de habitación = 12 • 24 / (12 + 24 + 12) = 6m
43
50 Hz
x
8.000
10.600
Primaria
(14.835) Secundaria
Por unidad
Terciaria
7.418
x
1,00
Calefactor
x
x
x
0,69
0,69
x
x
x
1,01
1,01
1,01
x2
x2
x2
PLH-J112AAHG9
PLA-J112AAH
PUH-J112GA9
Modelo de Juego
Modelo de unidad interior
Modelo de unidad exterior
Modelos candidatos principales
Selección Final de Modelo
2.600
Calefactor eléctrico auxiliar
x
10.000
x
x
x
1,00
Calefactor
0,987
0,987
0,943
0,943
0,920
Caidas en el rendimiento
debido a la longitud de la
tubería de refrigerante
(Longitud equivalente:
33m)
9.819
7.219+2.600
7.219
5.448
OK
NG
NG
OK
OK
NG
Evaluación
Modelos candidatos secundarios
Calefactor
x 1,00
Incluido en cambios del
rendimiento debido a las
condiciones de temperatura
Incluido en cambios del
rendimiento debido a las
condiciones de temperatura
9.524
9.524
6.597
Caidas en el Rendimiento
rendimiento corregido
debido a la [W]
formación de
escarcha
Corrección de Valor de Rendimiento
Cambios en el
rendimiento
debidos a
condiciones de
temperatura
10.000
7.100
Relación de rendimiento[W]
Primaria PLH-J80AAG9
x2
PLH-J112AAG9
Secundaria
x2
Terciaria PLH-J112AAHG9
x2
Primaria
Tabla 4.5.5
Corrección de Valor de Rendimiento y Selección de Modelo
Selección de modelo
(13.300) Secundaria
Por unidad
Terciaria
6.650
Carga
[W]
Zona perimetral (sur)
(4) Selección de Modelo (solución para el Problema Práctico 1)
Refrigeración
Calefacción
44
Agregar un calefactor
Aumentar el nivel en 1
Aumentar el nivel en 1
Medios para
compensar la
insuficiencia
Terciaria
Por unidad
7.742
2.600
Calefactor eléctrico auxiliar
10.600
x
x
x
x
x
x
1,00
Calefactor
0,69
0,69
1,01
1,01
1,01
Cambios en el
rendimiento
debidos a
condiciones de
temperatura
PLH-J112AAHG9
PLA-J112AAH
PUH-J112GA9
Modelo de Juego
Modelo de unidad interior
Modelo de unidad exterior
0,987
0,987
0,943
0,943
0,920
x2
x2
1,00
Calefactor
x2
x
x
x
x
x
x
Caidas en el rendimiento
debido a la longitud de la
tubería de refrigerante
(Longitud equivalente:
33m)
Calefactor
1,00
9.819
7.219+2.600
7.219
5,448
OK
NG
NG
OK
OK
OK
Modelos candidatos secundarios
x
Incluido en cambios del
rendimiento debido a las
condiciones de temperatura
Incluido en cambios del
rendimiento debido a las
condiciones de temperatura
9.524
9.524
6.597
Caidas en el Rendimiento
rendimiento corregido
debido a la
[W]
Evaluación
formación de
escarcha
Corrección de Valor de Rendimiento
Modelos candidatos principales
Selección Final de Modelo
Secundaria
8.000
Primaria
(15.483)
10.000
Terciaria
Por unidad
4.508
10.000
Secundaria
7.100
(9.016)
Primaria
50 Hz
x2
PLH-J112AAG9
Secundaria
x2
PLH-J112AAHG9
Terciaria
x2
PLH-J80AAG9
Selección de modelo
Primaria
Tabla 4.5.6
Corrección de Valor de Rendimiento y Selección de Modelo
Performance rating[W]
Relación de rendimiento[
Carga
[W]
Zona interior
Selección de Modelo (solución para el Problema Práctico 1)
Refrigeración
Calefacción
45
Agregar un calefactor
Aumentar el nivel en 1
Medios para
compensar la
insuficiencia
(5) Gráficos de rendimento (solución para el Problema Práctico 1)
Descarga de 4 vías, tipo cassette de cielorraso
Gráfico de rendimiento de calefacción
Sin correcciòn por formación de escarcha
Con correcciòn por formación de escarcha
Temperatura de bul
Relación de rendimiento
Relación de rendimiento
Gráfico de rendimiento de refrigeración
bo húmedo de entr
ada interior
1,01
eratura
Temp
co de
d
o se
e bulb
rior
a inte
entrad
18,7
0,69
tura
Tempera
de bulbo
húmedo
de entrada
Relación de entrada
Relación de entrada
Determinado
desde los
diagramas
psicrométricos
interior
oar ir
intekeri
ta
troardina
e deno
cofdin
e
r
s
o
tu
pbeurlba
ra mde
tute
-pbeuralb
DTermy
Temperatura de bulbo seco de entrada exterior
-2
Temperatura de bulbo húmedo de entrada exterior
33
Fig. 4.5.4 Gráfico de rendimiento de calefacción
Fig. 4.5.3 Gráfico de rendimiento de refrigeración
Tasas de rendimiento <a 50/60 Hz> (tomadas de los catálogos)
Modelo
PLH- J63AA H G9
J80
J112
J140
Rendimiento de refrigeración (kW)
5,6
7,1
10,0
12,5
/ 6,3
/ 8,0
/ 11,2
/ 14,0
Rendimiento de calefacción (kW)
6,3 / 7,5
8,0 / 9,0
10,6 / 11,8
14,0 / 16,0
46
Calefactor auxiliar (kW)
2,1
2,1
2,6
3,0
(6) Caída en el Rendimiento debido a la longitud
de la tubería de refrigerante
(Solución para el Problema Práctico 1)
El rendimiento de refrigeración y calefacción
puede ser problemático cuando la tubería de
refrigerante entre las unidades interior y exterior
es larga, y se utiliza el siguiente método para
calcular esta caída en el rendimiento.
(6-3) Calculando la relación de caída del
rendimiento
1 Para una longitud actual de tubería de 30 m y
un total de 10 curvas:
Longitud de tubería equivalente [m] = 30 +
(0,3 • 19) = 33m
2 La relación de rendimiento de refrigeración es
del 92,0% para el J80 y del 94,3% para el J112.
3 La relación de rendimiento de calefacción se
lee como 98,7%.
(6-1) Calculando las caídas en el rendimiento de
refrigeración y calefacción.
1 Primero que nada, determine la longitud de
tubería equivalente (la cual difiere de la
longitud actual de la tubería) como se explica
en la sección (6-2).
2 Use la Fig. 4.5.5. para identificar la relación de
rendimiento (k) correspondiente a esta longitud
de tubería equivalente.
3 Para cada modelo individual, encuentre el valor
de rendimiento (Q) correspondiente a las
condiciones de uso del acondicionador de aire
usando los gráficos de rendimiento (de la
página anterior).
4 Calcule el producto del valor del rendimiento y
de la relación de rendimiento (ej: Q • k).
(7) Ítems suplementarios para el Problema
Práctico 1
(a) La tabla 4.5.5 selecciona dos pares de
modelos PLH-J112AAHG9 para la zona de
perímetro (sur).
(b) La Tabla 4.5.6 selecciona dos pares de
modelos PLH-J112AAHG9 para la zona
interior. El mismo método puede ser
aplicado a fin de seleccionar los modelos
para las otras áreas perimetrales (Ej.: este y
oeste).
(6-2) Calculando la longitud de tubería
equivalente
(Para números de modelo J180 e inferiores)
Longitud de tubería equivalente [m] = Longitud actual
de tubería + (0,3 • cantidad de curvas en la tubería)
50Hz
100
Calefacción
Tipo J28 J160
98,7
Relación de rendimiento %
94,3
95
J28,J56 type Refrigeración
92
Tipo J100, J112
Tipo J63-J71
J40 J50 J80 J90
Tipo J125, J140
Tipo J160
90
85
80
78
5
10
15
20
25
30 33 35
40
45
50
*Note, sin embargo, que los modelos
desde J40 a J50 pueden tener un
55 máximo de longitud equivalente de 45m.
Longitud equivalente de tubería de refrigerante <m> <= Longitud actual + cantidad de curvas x 0,3>
Fig. 4.5.5
47
5. Principios de Refrigeración
5.1 Calefacción y Refrigeración
(Ver la Fig. 5.2.1 para más detalles). La energía
térmica correspondiente a un cambio de fase
cuando, por ejemplo, un item adopta un nuevo
estado es referido como calor latente.
Del mismo modo que el agua fluye desde las
posiciones altas hacia las bajas, el calor también
fluye desde las áreas de alta temperatura hacia las
de baja temperatura.
A fin de aplicar esta propiedad a fin de refrigerar un
objeto, es necesario tomar calor del objeto y
moverlo hacia otro objeto que esté a una
temperatura más baja. Consecuentemente, los
métodos de refrigeración natural son aplicados
desde tiempos ancestrales para hacer uso del agua
fría subterránea o hielo producido naturalmente.
Cuando un objeto de masa m (kg) y a temperatura
T1 (K) y absorbe calor y cambia a la temperatura T2
(K), la cantidad de energía térmica Q (J) absorbida
por ese objeto puede, para un calor específico de c
(J/kg·K), calcularse como se indica a continuación:
Q = c • m (T2 - T1)
(1)
(K = Kelvin - Una unidad de temperatura.
J: Joule - Una unidad de energía térmica)
La energía térmica usada para cambiar la
temperatura de un objeto en este modo es referida
como calor sensible. Se debe notar que la cantidad
de calor sensible requerida para cambiar una unidad
de masa de un objeto por una unidad de temperatura
es conocida como calor especifico.
[Las unidades SI son usadas en principio. (Ver la
Sección 5.5.2 para mayores detalles)].
Refiriéndonos nuevamente a la refrigeración de un
objeto usando agua fría, dado que la temperatura de
esta agua de refrigeración aumenta muy rápido se
requiere entonces un volumen muy grande. Este
factor conduce al desarrollo de métodos que usan
hielo para aumentar la efectividad de la
refrigeración.
Hielo
Hielo
objeto siendo enfriado
Calor Calor
Hielo
Hielo
Calor
de
fusión
Calor
de
fusión
Fig. 5.2.1. Usando el calor de fusión
Generalmente hablando, la cantidad de energía
térmica Q (J) que puede ser absorbida por un objeto
de masa m (kg) con calor latente r (J/kg) es como
se indica a continuación:
Q=r•m
(2)
Los siguientes tres métodos permiten efectuar la
refrigeración usando calor latente.
Aplicación de calor de fusión
Aplicando el calor de sublimación
Aplicando el calor de evaporación
Estos procesos actualmente tienen lugar dentro de
nuestras vidas diarias, con canastas de hielo que
usan el calor de fusión cuando el hielo de adentro
de ellas se derrite, el helado que se mantiene frío
usando el calor de la sublimación del hielo seco y
la sensación de la piel que se siente fresca cuando
se frota alcohol y se evapora.
Sin embargo, ninguno de estos tres métodos puede
ser usado en un proceso continuo para generar
grandes cantidades de refrigeración. A fin de lograr
este objetivo, se desarrollo un método de
refrigeración que aplica el calor de la evaporación
en un proceso mecánico, llevando al desarrollo del
primer dispositivo refrigerante en el siglo
diecinueve.
Desde entonces, se ha logrado un rápido avance en
la tecnología de refrigeración. Aplicada en un
amplio rango de campos desde refrigeración hasta
acondicionamiento de aire, estos dispositivos se
han vuelto elementos indispensables en nuestra
vida diaria.
5.2 Introducción a la refrigeración
Cuando hablamos sobre refrigeración, los elementos
congelados tales como hielo producido en el
compartimiento del freezer de un refrigerador o
pescado conservado en su compartimiento frío
tienden a venir a nuestra mente, aunque la
refrigeración y acondicionamiento de aire dentro de
una habitación durante los meses de calor de verano
también es una forma de refrigeración. En general,
el término "refrigeración" se refiere al enfriado de
un objeto para disminuir su temperatura del nivel
ambiente.
Incidentalmente, el enfriar un objeto con hielo como
se mencionó arriba es en realidad refrigeración de
ese objeto usando el calor requerido para derretir el
hielo.
48
5.3 Refrigeración y refrigerantes
5.3.2 Absorción y Liberación de
Calor
5.3.1 Usando el calor de Evaporación
La refrigeración como se describió arriba es posible
por el calor de la evaporación de refrigerante.
Puesto de otro modo, este tipo de refrigeración el
líquido que actúa como refrigerante absorbe calor
de su entorno y superficies adyacentes cuando se
evapora y se convierte en un gas. Esta acción de
absorber el calor ocurre como resultado del calor
latente de la evaporación.
Durante el proceso de condensación, mientras tanto,
el refrigerante libera calor a su entorno y regresa de
la forma gaseosa a la líquida. Hasta hace poco, el
calor liberado durante la condensación (Ej.: calor
latente de condensación) era descartado sin darle
ningún uso significante. Ahora, sin embargo, este
calor puede ser utilizado en varias aplicaciones d
calefacción.
El refrigerante y otros materiales generalmente se
evaporan más fácilmente a baja presión (por
ejemplo, el punto de ebullición del agua cae en la
baja presión de las cimas de las montañas), mientras
que, en contraste, la condensación ocurre más
fácilmente cuando la presión es alta.
De acuerdo a esto, la presión debe ser reducida a fin
de provocar la evaporación del líquido refrigerante
y aumentarse a fin de facilitar la condensación del
refrigerante gaseoso.
El sentimiento fresco que usted obtiene cuando frota
alcohol en su piel es debido a la evaporación del
alcohol. Otro ejempo típico de refrigeración debido
a la evaporación de un líquido - agua, en este caso son el práctico aspersor de agua en el piso en la
tarde de los días de verano a fin de refrescar el aire,
y la refrigeración del agua colocándola en una
vasija de barro ubicada en un lugar a la sombra y
ventilada. Todos estos casos demuestran cómo el
alcohol, agua y otros líquidos similares tienen la
habilidad de absorber calor de sus alrededores a fin
de evaporarse, enfriandolos en el proceso. En otras
palabras, la refrigeración puede ser definida cómo
un método de enfriamiento que hace uso del calor
extraido por la evaporación.
Consideraremos ahora una caja de refrigeración
como se muestra en la Fig. 5.3.1 como un ejemplo
típico de refrigeración usando el calor de la
evaporación. Un contenedor lleno con un líquido
que se evapora fácilmente (tal como alcohol o
similar) se coloca dentro de esta caja sellada, y
cuando se permite que se evapore el líquido poco a
poco, el calor requerido para esta evaporación es
tomado desde el aire de adentro de la caja,
refrigerándolo como resultado.
Vapor
Evaporación
Calor
Calor
Calor
Calor
Caja de
refrigeración
Contenedor
Líquido
Fig. 5.3.1 Operación de una caja de refrigeración
Desafortunadamente, al liberar el líquido evaporado
a la atmósfera de esta forma finalmente lleva a que
el contenedor se vacíe y no se pueda efectuar una
futura refrigeración. Una contramedida puede
encontrarse en la forma de un sistema cíclico, en
dónde el líquido que se evaporó sea recogido y
regresado a su estado líquido original, y cuando tal
sistema es implementado, es posible la refrigeración
continua del interior del recipiente.
Un refrigerante es un líquido que circula a través de
un sistema en el cual es evaporado y condensado en
forma repetida a fin de efectuar la refrigeración.
49
5.4. Ciclo de Refrigeración
Evaporador:
Produce la baja presión, el líquido
refrigerante se evapora, toma
calor desde el entorno y genera un
efecto refrigerador.
Produce un gas de alta presión
Compresor:
comprimiendo el refrigerante en
modo de vapor, permitiendo así
que sea condensado más
fácilmente.
Condensador: Libera el calor del refrigerante
gaseoso a alta presión de modo
que pueda condensarse para
formar líquido refrigerante a alta
presión.
Válvula de expansión: Mantiene al líquido refrigerante
de alta presión para producir la
expansión, disminuyendo su
presión y permitiendo la
subsiguiente evaporación para
que ocurra más fácilmente.
Refrigerante: Actúa como medio de
transferencia de calor durante los
procesos de evaporación y
condensación, absorbiendo y
liberando el calor
respectivamente.
5.4.1 Principio de Operación de
Dispositivo de Refrigeración.
Compresión
Caja de refrigeración Gas
Vapor
Calor
Calor
Calor
Calor
Evaporación
Contenedor
Expansión
Condensación
Líquido Líquido
(refrigerante)
Fig. 5.4.1 Principio de operación de
dispositivo de refrigeración
La Fig. 5.4.1 provee una vista simplificada del
principio de operación de dispositivos de
refrigeración que enfrían mediante el uso del
calentamiento de un refrigerante en la
evaporación.
Primero que nada, el refrigerante, el cual se
encuentra en su forma líquida dentro de un
contenedor, se evapora y enfría el interior del
recipiente de refrigeración. Luego, en forma de
vapor, el refrigerante es comprimido a una alta
temperatura fuera del recipiente. Este gas a alta
presión es luego condensado y regresado al estado
líquido. Como resultado de la expansión, el
refrigerante se transforma en un líquido a baja
presión, el cual se reenvía al contenedor para ser
nuevamente evaporado. De acuerdo a esto, un
dispositivo enfriador circula al refrigerante a
través del sistema como un medio de transferencia
de calor y usando también los cambios de estado
efectuados por la evaporación y condensación, es
capaz de refrigerar en un modo continuo. Si se
piensa colocar alimentos dentro de la caja
refrigeradora, deberá operar como refrigerador, si
el aire frío de adentro se descarga el flujo de aire,
operará como un acondicionador de aire.
En su configuración básica, un dispositivo
enfriador se compone de cuatro procesos
individuales, cada uno efectuado sobre el
refrigerante, a saber: evaporación, compresión,
condensación y expansión. En los dispositivos
actuales, el evaporador, compresor, condensador y
válvula de expansión se conectan mediante
tuberías, manteniendo así al refrigerante dentro de
un entorno cerrado. Los roles de cada parte
En un dispositivo refrigerante ideal, el rendimiento
de refrigeración Φ0 (W: Watt, la unidad es usada
para rendimiento de refrigeración) de un
refrigerante con flujo de volumen circulante qm
(kg/s) y el calor latente de la evaporación r (J/kg)
se calcula del siguiente modo:
Φ0 = r • qm
(Note que 1W = 1J/s)
50
(3)
5.4.2 Ciclo Refrigerate
Área de alta temperatura
En un dispositivo de enfriamiento, el refrigerante
pasa en forma repetida y secuencialmente a través de
un proceso individual de evaporación, compresión,
condensación y expansión: produciendo repetidos
cambio de estado entre líquido y vapor (Ej.:
condensación); y genera un efecto refrigerante como
resultado. Se forma entonces un ciclo en término del
movimiento del refrigerante y a este medio de
refrigeración se lo conoce como "Ciclo de
enfriamiento".
Tanque superior de agua
Condensador
Bomba
Tanque inferior de agua
Válvula de expansión
Evaporador
Calor
Calor
Calor
Absorción
de calor
Flujo del calor
Compresor
Calor Descarga
de calor
Calor
Válvula de expansión
Compresor
Evaporador
Área de baja temperatura
Fig. 5.4.2.2 Comparación de bomba de agua
y dispositivo de refrigeración
Condensador
Calor
Agua Calor
Trabajo
Fig.5.4.2.1 Ciclo Refrigerante
La Fig. 5.4.2.1 presenta una descripción básica de un
ciclo de refrigeración. Por lo tanto, dado que el
refrigerante circula en un ciclo refrigerante, el calor
absorbido durante el proceso de evaporación (en el
evaporador), es liberado en el proceso de
condensación (en el condensador), generando así un
efecto refrigerante. De este modo, el ciclo de
enfriamiento puede usar al refrigerante para
transferir calor desde un área de baja temperatura
(ej. El proceso de evaporación) a un área de alta
temperatura (ej. El proceso de condensación).
A propósito, además de que el calor puede ser
transferido desde un área de alta temperatura a un
área de baja temperatura en circunstancias naturales,
la transferencia desde un área de baja temperatura
hacia una de alta temperatura no es posible. No
obstante, el cíclo refrigerante opera en forma muy
parecida a una bomba, y del mismo modo que una
bomba corriente transfiere agua desde un punto
relativamente bajo a otro relativamente alto, un
dispositivo que implemente este ciclo puede
transferir calor desde un punto relativamente frío a
otro relativamente caliente. En termodinámica, por
lo tanto, este tipo de dispositivo de refrigeración es
comúnmente llamado "bómba de calor". Como
referencia, la Fig. 5.4.2.2 compara una bomba
corriente de agua y un dispositivo refrigerante.
51
5.5 Términos y Unidades
Unidades de temperatura
5.5.1 Términos
Punto de ebullición
del agua
5.5.1.1 Presión, Calor y Energía
0
1J=1N•1m
2,101
1,101
0
0,101
Grado de vacío
Presión
atmosférica
(atm)
MPa
1,0
760mmHg
0
0
273,15K
(4)
(4) Energía y corriente térmica
El trabajo hecho por unidad de tiempo es llamado
tasa de trabajo o energía y se utiliza la W (Watt). El
consumo de potencia de los compresores,
ventiladores, bombas, etc es energía.
Se usa W (Watt) para una cantidad de calor
transmitido por unidad de tiempo.
Torr
760
0
1 W = 1J/s
Fig. 5.5.1.1
(2) Temperatura
En el SI, la unidad básica de temperatura es la
temperatura absoluta (temperatura termodinámica)
K (Kelvin), sin embargo, la temperatura centígrada
puede ser usada sólo para medir o como indicador.
K debe ser usada como medición térmica.
La temperatura Fahrenheit (ºF) es usada en Estados
Unidas y en Inglaterra. La relación entre la
temperatura absoluta T (K) y la temperatura
centígrada t (ºC) es la siguiente.
T = t + 273,15
0ºC
(3) Trabajo y cantidad de calor
El trabajo es expresado como potencia x distancia
(potencia multiplicada por una distancia). En el SI,
se utiliza la J (Joule). Como define la primera ley de
termodinámica, el trabajo y calor son la energía
equivalente. En el SI, J (Joule) es usado para medir
la cantidad de calor:
Grado de vacío
Presión del gas
2,0
373,15K
Fig. 5.5.1.2
Presión =
? Presión
+ 0,1
absoluta ? relativa
Presión absoluta
MPa
100ºC
? 273,15ºC Cero absoluto 0K
(1)
(2)
Unidades de presión
Temperatura
absoluta
(Kelvin)
Punto de congelación
del agua
(1) Fuerza y Presión
La unidad de fuerza en el Sistema Internacional de
Unidades (abreviado unidad "SI" (Ver sección
5.5.2)) es el Newton (N) y la presión es el Pascal
(Pa). En refrigeración y Acondicionamiento de Aire,
se utilizan la presión relativa y presión absoluta. El
siguiente es un diagrama conceptual con unidades
convencionales.
1 N = 1kg • 1 m/s2
1 Pa = 1 N/m2
Temperatura
centígrada
(Celsius)
(5)
(5) Calor específico
La cantidad de calor que se requiere para elevar la
temperatura de una substancia (de masa = 1kg) en
1K es llamada calor específico (J/(kg • K))
(6) Calor sensible y calor latente
Hay dos tipos de calor, calor sensible y calor
latente. El calor sensible es el calor absorbido o
transmitido por una sustancia durante un cambio de
temperatura el cual no está acompañado por un
cambio de estado. El calor latente, es el calor
liberado o absorbido por una sustancia durante un
cambio isotérmico de estado. Por ejemplo, el
cambio de agua a hielo, u otro similar.
(3)
52
5.5.1.2 Ciclo Refrigerante
es la entropía de la unidad de masa de refrigerante
y tiene la dimensión de energía "q", masa "s" y
temperatura "T".
(1) Saturación
La saturación es la condición en la cual una
superficie se vuelve completamente cubierta con
líquido. En el caso de los refrigerantes, si el
refrigerante líquido está en su punto de ebullición,
bajo cierta presión, es definido como líquido
saturado. Más aún, si la vaporización continúa
debido a posterior aplicación de calor hasta que no
quede líquido refrigerante, se lo define como vapor
saturado. La temperatura y la presión en dónde
tiene lugar un cambio de estado son definidas como
temperatura de saturación y presión de saturación.
ds = dq/T
Esta fórmula explica el cambio de estado de la
compresión teórica del gas refrigerante.
5.5.1.3 Capacidad de Refrigeración
(1) Efecto de refrigeración
El efecto de refrigeración es la diferencia entre la
entalpía específica a la salida del evaporador y
entrada del ciclo refrigerante. Por lo tanto, el efecto
refrigerante es la cantidad extracción de calor por
unidad de masa de refrigerante (J/kg).
(2) Vapor húmedo
El estado en que el vapor saturado y líquido están
mezclados juntos es llamado estado de vapor
húmedo.
De ahí que, para el caso de refrigerante, cuando
tiene lugar un cambio de estado del refrigerante en
un evaporador o en un condensador, se lo define
como vapor húmedo (también llamado mezcla de
vapor-líquido.
(2) Capacidad de refrigeración
La capacidad de refrigeración se calcula
multiplicando el efecto refrigerante especificado
arriba a la tasa de flujo de masa de refrigerante
(masa circulante). Eso es, la capacidad de
refrigeración del evaporador; W o kW son usadas
como unidad (Antes se utilizaba kcal/h).
(3) Vapor sobrecalentado
El vapor de refrigerante a una temperatura mayor
que la de su punto de saturación es llamado vapor
sobrecalentado.
La diferencia entre el vapor sobrecalentado y vapor
saturado bajo la misma presión se define como
sobrecalentamiento.
(3) Tonelada de refrigeración
La tonelada de refrigeración japonesa y la tonelada
de refrigeración de Estados Unidos eran usadas
anteriormente como unidades para indicar la
capacidad de refrigeración.
Como referencia, las unidades convencionales son
las siguientes,
(Calor latente de congelación del agua:
79,68 kcal/kg, 144 Btu/L B (libra))
(4) Líquido subreenfriado
Si un líquido refrigerante ha sido enfriado por
debajo de su punto de saturación, el refrigerante es
llamado líquido sobreenfirado. La diferencia de
temperatura entre líquido saturado y líquido
sobreenfriado bajo la misma presión se define
como subenfriamiento.
1 Tonelada de Refrigeración Japonesa ( 1 JRT)
= 79,68 (kcal/kg) × 1000 (kg)/ 24 (h)
= 33200 (kcal/h) = 3861 (kW)
(5) Entalpía específica
La entalpía específica es una medida de la energía
interna total y energía de trabajo de una unidad de
masa de refrigerante, y es usada para cálculos de
energía térmica de refrigerante. En la siguiente
fórmula, "h" indica la entalpía específica, "u" indica
la energía interna, "p" indica presión y "v" indica
volumen específico.
h=u+p•v
(7)
1 Tonelada de Refrigeración de Estados Unidos ( 1 USRT)
= 144 (Btu/L b) × 2000 (L b)/ 24 (h)
= 12000 (Btu/h) = 3024 (kcal/h)
= 3516 (kW)
(4) Tonelada Refrigerante Legal (en Japón)
En la Ley de Seguridad de Gas de Alta Presión, la
capacidad diaria de refrigeración es expresada
como "ton" y es llamada ton (tonelada) de
refrigeración Legal. Su fórmula de cálculo está
definida legalmente y difiere para cada sistema de
refrigeración, dependiendo principalmente del tipo
de compresor.
(6)
(6) Entropía específica
En la siguiente fórmula, la entropía específica "s"
53
5.5.2 Unidades y Símbolos
Las unidades base y unidades auxiliares se
muestran en la Tabla 5.5.2.1 de abajo como
referencia.
Tabla 5.5.2.1 Unidades SI (unidades base y
unidades auxiliares)
5.5.2.1 Sistema Internacional de
Unidades (SI)
(1) SI
Después que fuera creado el sistema métrico en
1875, se han desarrollado más unidades con el
avance de la ciencia o ingeniería. Entonces, el
sistema métrico se divide en dos sistemas
principales: el sistema de unidades absoluto
(unidades CGS como sistema MLT) y el sistema
gravitacional de unidades (unidades de ingeniería
como sistema FLT), etc. El Sistema Internacional
de Unidades (Le Système Internacional dÚnitès
(French), abbreviation: SI) fue establecido para
integrar las unidades internacionalmente como una
unidad por cantidad.
División
Cantidad
Unidad
base
Longitud
Masa
Tiempo
Corriente eléctrica
Temperatura
termodinámica
Substancia
Intesidad luminosa
(3) ISO-JIS
En 1973, la Organización Internacional para la
Estandarización (ISO) aprovó al SI como Estándar
Internacional. En Japón, la ley de medidas fue
revisada y consecuentemente se decidió que las
unidades en todas las leyes deberían ser cambiadas
al sistema SI antes del año 1999. Por lo tanto, la JIS
Z8203 (SI y su utilización) y la JIS Z8202
(cantidad, unidad y símbolos químicos) fueron
definidas.
(3) Prefijos SI
Los prefijos SI usados para formar múltiplos
decimales de las unidades SI se dan en la tabla
5.5.2.2. de abajo
Tabla 5.5.2.1 Prefijos SI
Nombre Símbolo
Metro
Kilogramo
Segundo
Ampere
Kelvin
m
kg
s
A
Mol
Candela
mol
cd
Unidad Ángulo plano
Radian
auxiliar Ángulo sólido Estereoradián
K
rad
sr
Múltiplo Prefijo Símbolo Múltiplo Prefijo Símbolo
1018
1015
1012
109
106
103
102
101
5.5.2.2 Estructura SI
(1) Estructura SI
SI está basada en 7 unidades base, y la estructura se
muestra a continuación:
Unidades SI báse
Unidades SI
Unidades SI auxiliares
SI
Unidades SI derivadas
Prefijos SI
(2) Unidades SI
Las siete unidades base son las unidades que
expresan longitud, masa, tiempo, corriente
eléctrica, temperatura, substancia e intensidad
luminosa. Las unidades auxiliares son las unidades
geométricas usadas para expresar plano, ángulo y
ángulo sólido. Las unidades derivadas están
formadad por combinación de unidades base y
unidades auxiliares de acuerdo a la función
algebraica relacionada (ej. fuerza, presión, cantidad
de calor, potencia, dimensión, volumen o
velocidad).
54
Exa
Peta
Tera
Giga
Mega
Kilo
Hect
Deca
E
P
T
G
M
k
h
da
10-1
10-2
10-3
10-6
10-9
10-12
10-15
10-18
Deci
Centi
Milli
Micro
Nano
Pico
Femto
Atto
d
c
m
∝
n
p
f
a
Tabla 5.5.2.3 de abajo.
Refiérase a la JIS Z 8203 para el uso de SI y
detalles.
(2) Conversión de unidades principales
La conversión con unidades SI se muestra en la
Tabla 5.5.2.4
5.5.2.3 Cuantificador y Unidades
(1) Cuantificador o unidades para refrigeración
La cuantificación y unidades frecuentemente
usadas para refrigeración que están extraidas de la
JIS Z8202 y 8203, son mostradas en la
Tabla 5.5.2.3 Cuantificador y unidades usadas para refrigeración. (Extraído de la JIS Z8202, 8203) [1N=1kg x m/s2]
División Cantidad Símbolo*1 Unidades SI*2
Longitud
l
m
Área
m2
A
Volumen
V
m3
Espacio Tiempo
t
s
y
Velocidad
m/s
u
Tiempo
Aceleración a
m/s2
Ángulo plano
rad
Ángulo sólido
sr
Velocidad angular w
rad/s
Fenómeno Frecuencia f
Hz
periódico Rotación
s-1
n
Masa
kg
m
Densidad
kg/m3
Volumen específico v
m3/kg
Potencia
N
F
Presión
Pa
p
Aplicación
Pa
Trabajo
J
W
Trabajo de masa w
J/kg
Dinámica
Energía
W
p
Tasa de flujo de masa qm
kg/s
Tasa de flujo qv
m3/s
Eficiencia volumétrica *ηv
(%)
Eficiencia de compresión *η s
(%)
Eficiencia mecánica * ηm
(%)
Eficiencia de motor *η e
(%)
Coeficiente de rendimiento * ε
Unidades métricas Observaciones División Cantidad Símbolo*1
m
puede usarse 1l/1d m3 Calor Temperatura termodinámica T
en conjunto
m2
Temperatura Celsius t
puede usarse min, h, d
m3
Diferencia de temperatura T
en conjunto
min,h,d
Calor, cantidad de calor Q
m/min puede usarse (u), m/h, km/h
Cantidad de calor de masa *q
en conjunto
m/s2
Capacidad
de calor C
1G=9.806 65 m/s2
Calor específico c
"´"
puede usarse " ´ "
Calor sensible r
en conjunto
Energía interna U
rad/s
1Hz=1s-1
Energía interna específica u
Hz
puede usarse 1rpm=1min-1
en conjunto
Entalpía
rpm
H
Entalpía específica h
kg
Entropía
kg/m3
S
1t=103kg
Entropía específica s
m3/kg
Corriente de calor Φ
kgf
Densi
dad de corriente de calor φ
kgf/cm2
1kgf=9.806 65 N
Capacidad de refrigeración *Φ o
kgf/cm2
1Pa=1 N/m2
Capacida de calefacción *Φ k
kgf. m
(Pa or N/m2)
Tasa de conducción de calor λ
(Energía) 1J=1N·m
kgf. m/kg
Coeficiente de transferencia de calor α
kgf. m/s
Coeficiente de transferencia de calor total K
kg/min (Tasa de trabajo) 1W=1J/s
Humedad relativa *φ
m3/min puede usarse kg/min, kg/h
en conjunto
Humedad absoluta x
(%)
puede usarse m3/min, m3/h
(%)
Electricidad Corriente eléctrica I
en conjunto
Presión eléctrica U
(%)
(ns o ηi)
Potencia eléctrica p
(%)
Cantidad de electricidad Wp
Unidades SI*2 Unidades métricas Observaciones
K
K
ºC
K
J
J/kg
J/K
J/(kg.K)
J/kg
J
J/kg
J
J/kg
J/K
J/(kg.K)
W
W/m2
W
W
W/(m. K)
W/(m2. K)
W/(m2. K)
(%)
g/kg(DA)
A
V
W
J
ºC
deg
t ºC=(t+273,15)K
kcal
kcal/kg puede usarse 1ºC = 1K
en conjunto
kcal/(ºC)
1cal=4,186
05 J
.
kcal/(kg. ºC)
Efecto refrigerante • q0J/kg
kcal/kg
kcal
kcal/kg
kcal
kcal/kg
kcal/K
(Entropía de masa)
kcal/(kg. k) 1kcal/h=1,16279W
kcal/h
kcal/(h.m2)
kcal/h
kcal/h
kcal/(h.m.ºC)
kcal/(h. m2. ºC)
kcal/(h. m2. ºC)
puede usarse kg/kg(DA)
(%)
en conjunto
kg/kg(DA)
A
V
W. h puede usarse
W
en conjunto
W. h
Nota *1 No hay símbolos con * en JIS Z8202.
Los símbolos deben ser en itálica. Los subíndices en normal y los subínidices usados para símbolos van en itálica.
Los siguientes son los principales subíndices.
1, 2.............: indican posición en el ciclo refrigerante y paso del tiempo.
l : indica longitud.
t : indica temperatura.
a : indica aire.
k : indica alta temperatura o lado de alta temperatura.
m : indica masa.
p : indica presión.
w : indica agua.
o : indica baja temperatura o lado de baja temperatura.
υ : indicavolumen.
s : indica entropía específica.
r : indica refrigerante.
h : indica bómba de calor.
d : indica diámetro.
th : indica valor teórico.
m : indica máquina o promedio.
c : indica ciclo.
*2 Los símbolos de unidades se escriben en normal y en minúsculas. La primera letra de los símbolos derivada de
nombres propios van en mayúsculas.
Se requiere un medio espacio entre la cifra y el símbolo. Por ejemplo: 0ºC = 273,15 K
Se requiere un medio espacio entre cada tres dígitos de la cifra. Por ejemplo: 9.806 65 Pa
Cuando las unidades derivadas están compuestas por el producto de dos o más unidades, las unidadesse muestran
con signo de multiplicación "·". Por ejemplo: N · m
Cuando las unidades derivadas están compuestas de un cociente, las unidadesse muestran con líneas diagonales,
-1
líneas horizontales, o multiplicadores enteros negativos. Por ejemplo: m/s, m
s , m·s
No deberá haber dos o más líneas diagonales sin paréntesis en la misma línea. Por ejemplo: J/ (kg·k),
mal ejemplo: J/kg/K
Los símbolos para prefijos van en normal y no se requiere espacio entre los símbolos de unidad.
La unidad de masa "kg" ya incluye el prefijo de kilo, no requiere prefijo. Por ejemplo.: 1Mg, mal ejemplo: 1kkg
Se aplica el ínice de símbolo incñuyendo prefijo al símbolo de la unidad entera y símbolo de prefijo. Por ejemplo 1cm2 = (10-2m)2 = 10-4m2
No se pueden mezclar dos o más prefijos. Por ejemplo: 1km, mal ejemplo: 1kcm
Cuando el denominador es la unidad base "kg", k no debe ser considerada como prefijo. Ejemplo: kJ/kg, mal ejemplo: kJ/g
No se deben usar dos o más prefijos y el prefijo debe adjuntarse a la parte superior de la unidad. No debe adjuntarse
a la unidad a ser dividida. mal ejemplo: 1W/cm2
55
Tabla 5.5.2.5 Tabla de conversión de unidades
Presión
Pa
bar
1
1•
9.806 65 •
1.013 25 •
9.806 65
1.333 22 •
1•
1
9.806 65 •
1.013 25
9.806 65 •
1.333 22 •
10
104
105
5
10
2
kgf/cm2
10-5
10-1
10-5
10-3
atm
1.019 72 • 10-5
1.019 72
1
1.033 23
1 • 10-4
1.359 51 • 10-3
mmH2O
9.869 23 •
9.869 23 •
9.678 41 •
1
9.678 41 •
1.315 79 •
1.019 72 •
1.019 72 •
1•
1.033 23 •
1
1.359 51 •
10-6
10-1
10-1
10-5
10-3
10-1
104
104
104
10
mmHg
o
Torr
7.500 62 •
7.500 62 •
7.355 59 •
7.600 00 •
7.355 59 •
1
Aplicación
Nota: 1 Pa=1 N/m2,1N=1kg•m/s2
Pa
MPa o N/mm2
1
1 • 10
1 • 10
6
1
9.806 65 • 10
6
9.806 65
9.806 65 • 10
4
9.806 65 • 10
Trabajo•Energía·Caloría
Nota: 1MPa=1N/mm
kgf/mm2
-6
kgf/cm2
1.019 72 • 10
-7
1.019 72 • 10-5
1.019 72 • 10
-1
1.019 72 • 10
1 • 102
1
1 • 10
-2
-2
1
2
J
1
kW•h
kgf•m
2.777 78 • 10-7
1.019 72 • 10-1
2.388 89 • 10-4
3.670 98 • 105
8.600 0 • 102
• 106
3.600
1
9.806 65
2.724 07 • 10
4.186 05 • 103
1.162 79 • 10-3
1
-6
4.268 58 • 102
kcal
2.342 70 • 10-3
1
Tasa de Trabajo·Potencia•
Energía•corriente térmica
Note: 1J=1N•m, 1J=1W•s, 1W•h=3 600 W•s
1cal=4.186 05 J (basado en la ley de pesos y medidas)
W
kgf•m/s
PS
1
1.019 72 • 10-1
1.359 62 • 10-3
8.600 0 • 10-1
1.333 33 • 10-2
8.433 71 • 10
9.806 65
7.355
1.162 79
1
• 10
2
7.5
• 10
1
1.580 95 • 10-3
1.185 72 • 10-1
Nota: 1W=1J/s, PS: Caballo de fuerza francés.
1PS=0,735 kW(basado en la ley de pesos y medidas)
1cal=4.185,05 J (basado en la ley de pesos y medidas)
56
kcal/h
6.325 29 • 102
1
103
102
102
102
10-2
5.6 Calor y Transferencia de
Calor
A = Q/W = 1/426,8 (kcal/kgf • m)
J = W/Q = 426,8 (kgf • m/kcal)
Cuando usted está enfermo, alguien puede tomar su
temperatura. A pesar de que la temperatura puede
ser medida, el calor no puede ser medido
directamente.
Previamente se consideró que la temperatura era
suficiente para expresar la condición y cambio de
calor.
Sin embargo, es obvio que una copa de agua es
diferente no sólo cuantitativamente sino también
térmicamente que un balde de agua. Para explicar
este hecho, es necesario que la cantidad física de
calor sea tenida en cuenta.
El calor es un tipo de energía y con una cantidad
física de calor, se la llama cantidad de calor. Una
cantidad de calor es expresada en Joules (J) ó Nm.
Se puede decir que 1J es la cantidad de trabajo
requerido para mover 1m un objeto de 1 kg..
En el sistema SI, una cantidad de calor y trabajo
pueden ser expresadas en la misma unidad: joule
(J).
En unidades industriales, 1 kcal es la cantidad de
calor que se requiere para elevar la temperatura de
1kg de agua en 1ºC, sin embargo, dado que la
precisión de la medición del calor mejoro, se
encontró que 1 kcal de cantidad de calor difiere
dependiendo de la temperatura. Por lo tanto, el
joule (J) fue introducido en el sistema SI para
expresar una cantidad de calor.
La primera ley de la termodinámica también
llamada la ley de la conservación de la energía,
expresa que el calor y el trabajo son el mismo tipo
de energía, que son convertibles entre sí y que la
cantidad total de energía es constante. La entalpía
se calcula basada en esta ley.
5.6.1 Calor y Trabajo
En plantas de generadoras de energía térmicas, se
queman aceites pesados para convertir agua en
vapor, la potencia del vapor es entonces usada para
mover una turbina. La turbina mueve a un
generador y el generador genera electricidad.
En 1765 James Watt de Inglaterra desarrolló el
motor de vapor, quemando carbón. Ya se sabía en
ese entonces que la energía térmica podía
cambiarse a energía dinámica.
La relación entre calor y trabajo fue clarificada en
forma cuantitativa basándose en un famoso
experimento de J-P. Joule de Inglaterra. El encontró
que el calor y el trabajo son básicamente lo mismo
y que ambos son un tipo de energía.
En unidades industriales, el calor se expresa en Q
(kcal) y le trabajo se expresa en W (kgf • m).
Cuando se convierte calor en trabajo, el factor de
conversión térmico equivalente de trabajo (A) o
equivalente mecánico del calor (J) son valores
estables.
5.6.2 Substancia y Energía
Térmica
La relación entre sustancia y energía térmica es
complicada.
Todas las substancias tienen tres estados físicos:
sólido, líquido y vapor. Una sustancia almacena
una energía térmica llamada energía interna. La
cantidad de calor o trabajo como se mencionara
antes es la cantidad de cambio en energía térmica.
El estado de energía interna difiere dependiendo de
la temperatura, presión, etc.
Para un ejemplo familiar, como muestra la Fig.
5.6.1, el agua se transforma en hielo a la mañana
temprano y el hielo se funde en agua cuando
aumenta la temperatura.
La temperatura del agua aumenta cuando se agrega
calor al agua y el agua se vuelve caliente. Cuando
se agrega más calor, el agua se evapora y se
convierte en vapor de agua.
57
(Sólido)
(Líquido)
Hielo
La cantidad de movimiento molecular es
proporcional a la temperatura. El movimiento
molecular se detiene completamente en la
temperatura cero absoluto (0ºK), a esta temperatura
la energía térmica desaparece. El mecanismo
molecular cambia completamente y el movimiento
molecular se vuelve mayor cuando el hielo se
vuelve agua.
La cantidad de movimiento molecular del agua es
proporcional a la temperatura y es el mismo que la
cantidad de movimiento molecular del hielo.
Cuando el agua se evapora y se vuelve vapor de
agua al aumentar la temperatura, el movimiento
molecular del agua se incrementa y se difunde en el
aire.
(Gas)
Agua
Vapor
Fig 5.6.1 cambio de estado de una sustancia
La Fig. 5.6.2 muestra el cambio de estado del agua
desde el hielo al agua o desde el agua al vapor
usando temperatura, presión y la cantidad de calor
(entalpía), que es la cantidad de cambio de la
energía interna. Bajo la presión atmosférica
estándar, la temperatura del hielo, el cual es sólido,
aumenta en proporción a la cantidad de calor
agregado. Cuando se vuelve 0ºC, el hielo comienza
a derretirse y la temperatura del hielo permanece en
0ºC hasta que el hielo se derrita. Después que el
hielo se derrite, la temperatura del agua aumenta en
proporción a la cantidad de calor agregado y
cuando alcanza los 100ºC, el agua hierve y
comienza a evaporarse. La temperatura del agua
permanece en 100ºC hasta que el agua se evapora y
cuando termina de evaporarse, la temperatura del
vapor comienza a aumentar. Como se mencionó
previamente, hay dos tipos de calor. El primero es
que la temperatura cambia en proporción a la
cantidad de calor agregado y la segunda es que la
temperatura no cambia cuando la estructura o fase
cambia de sólido a líquido o de líquido a vapor
como se mencionó antes. La primera se llama calor
sensible y la segunda se llama calor latente.
Temp
(ºC)
Calor
latente de evaporación
(condensación)
r=2,257 kJ/kg
Calor
latente de fusión
(condensación)
r=334 kJ/kg
Sensible
heat
Sensible heat
Líquido
100
(1) Calor sensible.
Cuando se calienta hielo o agua, la temperatura
aumenta en proporción a la cantidad de calor
agregado como se muestra en la Fig. 5.6.2. Este
fenómeno ocurre porque la energía del movimiento
molecular aumenta cuando se agrega calor a un
objeto como se mencionó anteriormente. El calor
sensible es la medida de energía del movimiento
molecular y muestra la cantidad de calor que tiene
una sustancia. El calor sensible se calcula usando la
siguiente fórmula. "m" (kg) indica la masa y "c"
(kJ/kg/K) indica el calor específico. Cuando una
sustancia con temperatura "T1" (K) recibe calor Q
(kJ) y se vuelve una sustancia con temperatura
"T2", se cumple la siguiente fórmula:
Q = c • m (T2 - T1)
(2) Calor latente.
Bajo la presión atmosférica estándar, el hielo se
derrite y se convierte en agua, la cual es líquida sin
cambiar la temperatura. Cuando se agrega calor y
el hielo llega a 0ºC y se sigue agregando calor, y el
agua llega a 100ºC, hierve, se evapora y se
convierte en vapor de agua como se muestra en la
Fig. 5.6.2. En una caldera, etc., cuando se agrega
calor después que el agua se ha evaporado, la
temperatura del vapor de agua aumenta. Entonces,
la cantidad de calor liberado o absorbido durante
un cambio de estado de una sustancia es llamado
calor latente cuando no resulta en ningún cambio
de temperatura. El calor latente es equivalente al
calor que se genera cuando cualquiera de los
estados cambia, pro ejemplo desde el hielo hacia el
agua o desee el agua hacia el vapor. El calor latente
está relacionado a la fuerza intermolecular (energía
potencial) que une las moléculas, etc. que forman
una sustancia.
Calor
sensible
Gas
Gas-líquido
p=101 kpa
Sólido-líquido
Sólido
0
419 kJ/kg
0
2,676 kJ/kg
1,000
2,000
Cantidad de calor (entalpía) kJ/kg
(1)
3,000
Fig. 5.6.2 Cambio de estado del agua
Una sustancia está compuesta de átomos y
moléculas. El agua, hielo y vapor de agua se
expresan todas como H2O. El hielo, que es un
sólido, está compuesto de cristales de hielo, que
normalmente son hexagonales. Las moléculas
gravitan entre sí y vibran térmicamente.
58
El calor latente es generado por el cambio
estructural de las moléculas en el micronivel
cuando los estados cambian desde hielo a agua o
desde agua a vapor.
Cuando el hielo se transforma en agua, el estado es
una mezcla de sólido y líquido., mientras que
cuando el agua se evapora, el estado es una mezcla
de vapor y líquido.
Vapor
Congelación
(Fijación)
Condensación
Sublimación
Evaporación
(3) Tres estados de materia y calor latente.
Como se mencionó en el ejemplo del agua, las
sustancias están en el estado de sólidos, líquidos o
vapores. Cuando se agrega continuamente calor al
hielo, que es sólido, el movimiento molecular
aumenta a medida que la energía térmica es capaz
de sobrepasar las fuerzas intermoleculares. En
algún punto, una estructura cristalina de hielo
cambiará a una estructura molecular de agua. La
fusión es el cambio desde el sólido al líquido. El
cambio reverso es la congelación.
Dado que las fuerzas intermoleculares de los
sólidos son muy fuertes, es necesaria una gran
cantidad de energía para cambiar un sólido a un
líquido. La energía térmica requerida para hacer
esto es llamada calor latente de fusión. Cuando el
hielo se derrite en agua, es igual a 333,5 kJ/kg.
Aún cuando el movimiento molecular aumenta
cuando el hielo se vuelve líquido, el agua no puede
soportar la gravedad y necesita ser contenida.
El agua puede ser almacenada en un contenedor o
recipiente.
Cuando la energía térmica se agrega al líquido, el
movimiento molecular del líquido se vuelve mucho
mayor y evapora desde la superficie del líquido. Las
moléculas se difunden en el aire y combinan con
otras moléculas del aire. El calor latente de
evaporación es requerido en ese momento.
Cuando el agua se evapora, el calor latente de
evaporación es de 2257 kJ/kg bajo condiciones
atmosféricas estándar.
Cuando la temperatura cae, el vapor de agua en el
aire cambia a líquido liberando energía térmica.
A una temperatura muy baja, el vapor de agua se
congela en hielo, que es un sólido.
El calor latente es el calor que absorbe o libera una
sustancia cuando cambia de estado desde sólido a
líquido o desde líquido a vapor. El calor latente se
clasifica en calor latente de fusión, de evaporación,
de sublimación y calor latente de congelación. La
Fig. 5.6.3 muestra los tres estados de la sustancia y
los tipos de calor latente.
Fusión
Sólido
Congelación
(Fijación)
Líquido
Fig. 5.6.3 Los tres estados de una sustancia
y los tipos de calor latente.
59
Tabla 5.6.3.1 Ejemplo de conductividad
térmica (20ºC)
5.6.3 Transferencia de Calor
El calor se transfiere desde una superficie de mayor
temperatura a una superficie de menor temperatura.
Este fenómeno significa que la energía se
transfiere. El calor no fluye bien si hay resistencia
al flujo.
sustancia
Hay tres tipos de transferencia de calor.
Conducción térmica: El calor se transfiere dentro
de una sustancia.
Convección térmica: El calor se transfiere a través
de un líquido o vapor causado
por el movimiento molecular.
El calor se transfiere por
Emisión térmica:
ondas electromagnéticas sin
medio. Por ejemplo, similar a
como se transfiere la luz.
(J/s)/m2
q/A
=
λ=
=W/(m •K)
∆t/∆L
K/m
(3)
228
Acero al carbono (Cantidad
de carbono 0,5%, 20ºC)
53
Cobre
386
Madera (Cedro)
0,13
Mortero
1,4
La conducción de calor debido a una diferencia de
temperatura y la transferencia de calor debido al
movimiento del fluido ocurren dentro de un líquido
en movimiento.
Por lo tanto, Un fluido que fluye tiene una mejor
característica de transferencia que el fluido quieto
que generalmente conduce el calor sólo por
conducción.
La transferencia de calor entre un fluido y un sólido
es llamada convección.
La cantidad transferida de calor varía en gran
forma dependiendo el tipo de fluido o de la
condición de flujo del fluido.
Cuando se diseñan acondicionadores de aire y
equipos de refrigeración, la cantidad de calor
transferida se calcula usando la siguiente fórmula
de conductividad térmica α [W/(m2•K)].
q= α • ∆t • A
(4)
La transferencia de calor desde caliente a frío por
movimiento molecular dentro de una sustancia
(sólida, líquida o vapor) es llamada conducción
térmica.
La transferencia de calor a través de un sólido,
cuya densidad es alta, es más rápida que a través de
un líquido o vapor.
Sin embargo, no todos los sólidos conducen bien el
calor. El cobre y el hierro son buenos conductores,
mientras que la madera es un pobre conductor.
La tasa de transferencia de calor se expresa como
conductividad térmica λ (W/m • K)).
Así, la cantidad de calor por hora q (W) es
proporcional a la diferencia de temperatura entre
ambos extremos [∆t (K)] y la superficie de
transferencia de calor [A (m3)]. Es inversamente
proporcional a la distancia de transferencia de calor
[∆L (m)]. Esta constante de proporcionalidad es
llamada conductividad térmica. (Ley de Fourier)
(2)
Aluminio (20ºC)
5.6.3.2 Convección de Calor
5.6.3.1 Conducción Térmica
q = λ • A • ∆t/∆L
Tasa de conductividad
térmica λ [W/(m·K)]
q: Cantidad de calor transferido [W]
α: Tasa de transferencia de calor W/(m2·K)
∆t: Diferencia de temperatura representativa K
A: Superficie de transferencia de calor m2
Tabla 5.6.3.2 Valores aproximados de tasa
de transferencia de calor
((Yoshiro KATTO, de acuerdo a la información de 1969) W/(m2·K)
Aire quieto
Aire fluyendo
El metal, cuya conductividad térmica es alta, es
usado como material para los intercambiadores de
calor, mientras que la espuma de polietileno, etc.,
cuya conductividad térmica es baja es usado como
material para paredes de refrigeradores.
1~20
10~300
Aceite fluyendo
60~1750
Agua fluyendo
300~6000
Condensación de vapor (film)
6000~17500
Agua hirviendo
1750~52000
(De acuerdo al manual de acondicionamiento de aire)
60
5.6.3.3 Emisión de Calor
Transferencia de calor q
Todas las sustancias con una temperatura emiten
calor. El ejemplo familiar es el calor radiante del
sol.
El calor radiante depende de la temperatura de las
sustancias. Por lo tanto, las sustancias a alta
temperatura como hornos emiten mucho calor
radiante, mientras que las sustancias con baja
temperatura como el aire de descarga del
acondicionador de aire emite poca radiación de
calor.
Dentro de los 3 tipos de transferencia de calor, la
conducción de calor y la convección de calor
requieren materia para transferir el calor, mientras
que la emisión de calor no requiere de materia. En
su lugar, el calor es transferido usando ondas
electromagnéticas emitidas por el movimiento
molecular. Por ejemplo, el sol puede transferir calor
a la tierra a pesar de que está muy lejos de ella.
La emisión de calor también es llamada radiación.
La cantidad de calor radiante es calculada usando la
siguiente fórmula conocida como la ley de
Stephan-Boltzmann
Eb = σ x T4
(Exterior)
(Pared)
(Interior)
t1
(30°C)
q1
t2
q2
t3
q 3 (22°C)
t4
Fig. 5.6.4 Modelo de transferencia total de calor
En la figura de arriba, el calor exterior (temperatura:
t1) es transferida a la superficie de la pared
(temperatura t2).
El calor es transferido desde el exterior de la pared
al interior basado en el principio de conducción de
calor. La temperatura de superficie interior será t3.
Entonces, el calor es transferido al aire basado en el
principio de transferencia de calor y la temperatura
será t4.
La cantidad de calor que es transferida desde el
exterior al interior q es calculada usando la siguiente
fórmula.
(5)
Eb: Cantidad de calor radiante
σ: Constante
T4: Temperatura absoluta de la sustancia
q = K • A • (t1 - t4)
(6)
q: Cantidad de calor transferido desde el exterior
hacia el interior (W)
K: Coeficiente de trasmisión térmica (W/(m2•K))
A: Superficie de la pared (m2)
t: Temperatura del interior t1 y temperatura
exterior de la pared (ºC)
La gente de adentro de una habitación, emiten
diferentes cantidades de calor dependiendo de la
temperatura de sus cuerpos y cada pared emite una
diferente cantidad de calor dependiendo de la
superficie de la pared, de acuerdo a la teoría de que
la cantidad de calor radiante depende de la
temperatura de las sustancias.
La transferencia de calor por radiación se efectúa
como la reflexión del sonido, es parcialmente
absorbida y parcialmente transmitida.
Calcule la cantidad de calor que es transferida desde
el exterior a la superficie de la pared.
q = α1 • A • (t1 - t4)
(7)
q1: Cantidad de calor transferido desde el
exterior hacia la superficie de la pared (W)
α1:Tasa de transferencia de calor exterior
(W/(m2•K))
A: Superficie de la pared (m2)
t1: Temperatura del aire (ºC)
t2: Temperatura de la superficie de la pared (ºC)
5.6.4 Transferencia Total de Calor
El calor es transferido a través de las paredes de un
edificio o refrigeradores, basado en el principio de
transferencia de calor como se mencionó
anteriormente.
La siguiente figura muestra la transferencia de calor
a través de una pared entre el exterior y el interior.
Ahora, piense sobre la relación entre q y q1. La
cantidad de flujo de calor es la misma en cualquier
punto entre t1 exterior y t4 interior. q = q1.
La cantidad de flujo de calor es la misma entre la
superficie de la pared t2 y t3 como antes.
61
Es necesario saber la temperatura de adentro de los
intercambiadores de calor, etc., la cual se manteiene
cambiando.
(t2 - t3)
(8)
L
q2 : q1 = q2 = q2 (W)
λ : Tasa de transferencia de calor (W/(m•K))
L : Espesor de la pared (m)
A : Superficie de la pared (m2)
t : Temperatura (ºC)
q2 = λ ⋅ A ⋅
Temperatura
Agua fría
t1
La cantidad de calor que es transferida desde el exterior
al interior "q3" (W) se calcula usando la siguiente
fórmula.
q3= α2 • A • (t3 - t4)
tm
t2
Evaporación de refrigerante
(9)
Fig. 5.6.5 Transferencia de calor y diferencia de
temperatura
α2 : Tasa de transferencia de calor interior
La relación entre el coeficiente de transmisión de calor
"K" y la tasa de transferencia de calor es como sigue:
R=
1
1
r
1
=
+
+
α
λ
α
1
2
K
Como se muestra en la figura de arriba, cuando se
produce agua fría por evaporación del refrigerante,
la diferencia de temperatura promedio entre la
entrada y la salida del enfriador se calcula usando la
siguiente fórmula.
(10)
∆tm =
R: Resistencia térmica
Las unidades que expresan el calor y la electricidad son
las mismas (ej: Joule "J" o Watt "W"). Ellas expresan la
misma cantidad física como se mencionó en la sección
correspondiente a calor y energía. Las mismas fórmulas
que son usadas en ingeniería eléctrica pueden ser usadas
en ingeniería de transferencia de calor (ej. resistenia
térmica o conductancia). Usando las mismas unidades
en ambos campos hace que la fórmula sea más fácil de
entender.
∆t1 - ∆t2
∆t1
loge
∆t2
(12)
loge: Logaritmo natural
Cuando se calcula usando logaritmos comunes, la
fórmula es como sigue:
∆tm =
5.6.5 Diferencia de temperatura
∆t1 - ∆t2
∆t1
2,3log10
∆t2
(13)
Cuando la diferencia entre ∆t1 y ∆t2 es pequeña, o
para obtener un valor aproximado, la fórmula es la
siguiente
La cantidad de calor que es tranferida desde el exterior
al interior "q" es calculada, como se mencionó antes,
usando la siguiente fórmula:
∆t1 + ∆t2
2
q = K • A • (t1 -t4)
∆tm =
Cuando la cantidad de transmisión de calor es
determinada, la diferencia de temperatura se calcula
usando la siguiente fórmula:
El error de ∆tm influye K y A porque q = K • A • ∆tm
t1 - t4 =
q
K•A
(11)
Calcular la temperatura es fácil.
62
(14)
6. Sistemas de Refrigeración
(1) Volumétrico: Refrigeradores recíprocos,
rotativos, scroll, y tipo tornillo.
(2) Centrífugos: Turbo refrigeradores
(3) Eyectores: Refrigeradores por chorro de
vapor
6.1 Sistema de refrigeración de
Compresion de Vapor
El sistema de enfriamiento por compresión de
vapor es un medio de refrigeración que utiliza el
calor latente de la evaporación de un refrigerante
y crea un paso de retorno para el refrigerante
utilizando un compresor; más aún, en este ciclo
refrigerante, el proceso de evaporación,
compresión, condensación y expansión son
repetidos contínua y secuencialmente a fin de
generar el efecto de enfriado. La Fig 6.1.1. ilustra
un dispositivo de enfriamiento por comprsión de
etapa simple. Como muestra la figura, se
combinan y conectan con la tubería dispositivos
tales como un evaporador, compresor,
condensador y válvula de expansión, permitiendo
así que el refrigerante circule por dentro del
dispositivo; mas aún, cuando el refrigerante es
sujeto a evaporación, presurización, licuefacción
y re-evaporación, se pueden obtener bajas
temperaturas. El receptor de líquido contenido
dentro del dispositivo actua como un reservorio a
fin de ajustar el volumen de refrigerante que
circula a través del sistema y puede ser omitido
en caso de refrigeradores eléctricos y otros
pequeños items de equipos refrigerantes.
En general, los dispositivos de refrigeración de
etapa simple son usados a temperaturas tan bajas
como -25ºC que es, la temperatura a la cual se
evapora el refrigerante. Si se requiere una
temperatura de evaporación menor, se debe utilizar
un dispositivo de refrigeración de doble etapa.
Esto es necesario dado que la compresión
instantánea de refrigerante en estado de vapor a
una baja temperatura de evaporación - o en otras
palabras, una baja presión de evaporación - a la
presión de condensación en un dispositivo de etapa
simple puede causar que la temperatura del vapor
refrigerante aumente considerablemente y esta alta
temperatura puede conllevar al deterioro del aceite
o grasa lubricante del compresor. Más aún, esta
aproximación también reducirá la eficiencia
volumétricoa del compresor, disminuyendo la
capacidad de refrigeración del dispositivo y
degradando marcadamente su coeficiente de
rendimiento. En respuesta a este tipo de situación,
la compresión es separada en dos etapas
individuales a fin de obtener menores temperaturas
de operación. La Fig. 6.1.2 muestra un dispositivo
de refrigeración de compresión de doble etapa.
Receptor de líquido
Reservorio
de líquidio
Válvula de
expansión
Compresor
5
3
5
Evaporador
Condensador Separador de aceite
4
Compresor del
lado alto
Condensador
Válvula de expansión de
refrigeración intermedia
6
Fig. 6.1.1 Dispositivo de enfriamiento por
Compresor de Etapa Simple
7
8
Válvula de expansión Evaporador
principal
El sistema de enfriamiento por compresión de vapor
es usado en un amplio rango de aplicaciones que se
extiende desde refrigeradores domésticos y
acondicionadores de aire domésticos hasta equipos
de refrigeración, cámaras frigoríficas e instalaciones
de aire acondicionado en grandes construcciones.
La aplicación de enfriamiento por compresión de
vapor puede ser clasificada por el tipo de
refrigerador como sigue.
1
Compresor del
lado bajo
2
Refrigerador intermedio
Fig. 6.1.2 Dispositivo de Refrigeración de
Compresor de Doble Etapa
63
6.2 Sistema de Refrigeración
por Absorción
esta solución diluida, que está a la temperatura
ambiente, pasa a través del intercambiador de
calor en donde - a fin de conservar el calor
producido en el generador- cambia calor con la
solución de bromuro de litio concentrada, la cual
está a alta temperatura en el generador. Dado que
la solución concentrada de bromuro de litio debe
entregar su calor a fin de que tenga lugar la
absorción en el absorbedor, esta aplicación del
intercambiador de calor resuelve dos problemas a
la vez. De este modo, un refrigerador de
absorsión utiliza agua como su refrigerante.
El sistema de refrigeración por absorsión también
hace uso del calor latente de la evaporación; sin
embargo, mientras que el sistema de refrigeración
por compresión de vapor usa un compresor para
condensar y licuar el refrigerante a fin de asegurar
que se puede efectuar fácilmente la proxima
evaporación, el sistema de refrigeración por
absorción logra el efecto refrigerante utilizando
también la forma en que la tasa de disolución del
gas refrigerante en un solvente cambia
marcadamente en respuesta a la temperatura y la
presión.
Solución acuosa de LiBr
Generador
Intercambiador de calor
Concentrado
intermedio
Bomba de absorsión
de fluido
Condensador
Puerto de
descarga de
agua de
refrigeración
Condensado
Calefacción Vapor de agua Válvula de expansión
Absorbedor
Evaporador
Puerto de descarga
para agua fría
Puerto de entrada
para agua a ser
Puerto de entrada
enfriada
de agua de
refrigeración
Agua para evaporación Bomba de refrigerante
Fig. 6.2.1 Principio de Operación de la
Refrigeración por Absorsión
La Fig. 6.2.1 ilustra el principio de operación del
refrigerador por absorsión.
Refiriéndose a este diagrama, una solución diluida
de bromuro de litio es calentada mediante el
quemado de aceite, gas u otro combustible en el
generador a fin de hervir el vapor de agua, y este
vapor es luego enfriado y condensado en el
condensador usando agua de refrigeración. En el
evaporador de baja presión, el vapor del agua al ser
enfriado hace que el condensado se evapore
nuevamente, generando así el efecto refrigerante.
El vapor de agua generado en este proceso viaja
hacia el absorbedor, en donde es absorbida dentro
de la solución de bromuro de litio que se ha
concentrado como resultado del calentamiento alli
en el generador, regresando así la solución a su
condicón original de dilución. Como resultado del
agua de refrigeración tiene lugar como se describe
arriba durante el proceso de absorción, la
refrigeración.
A través de la bomba, la solución diluida que se
obtiene es enviada hacia el generador a fin de ser
nuevamente calentada. En el camino, sin embargo,
64
te
ntan
ica c
o
ecíf
esp
entr
opía
do
r satura
e vapo
Línea d
tante
co n s
ca d o
d e se
Línea
Presión (MPa)
(2) Líneas de temperatura constante
Las líneas de temperatura constante indican el
estado del refrigerante a la misma temperatura. La
temperatura es igual en todos los puntos de la línea
de temperatura constante. Existe una relación
constante entre la presión y la temperatura del
refrigerante en la región entre la línea de líquido
saturado y la línea de vapor saturado. Si la presión
está fija, entonces la temperatura está fija; o si la
temperatura está fija, entonces la presión está fija.
Por lo tanto, las líneas de temperatura constante
son paralelas a las líneas de presión constante.
Consecuentemente, a pesar de que las líneas de
temperatura constante no están mostradas
específicamente, la temperatura se muestra en la
línea de líquido saturado y en la línea de vapor
saturado.
tante
cons
ífica
spec
a de
entro
pía e
ante
de seca
do con
st
Entalpía específicaSpecific enthalpy (kJ/kg)
Fig. 7.1.2 p-h Diagram
65
en específico
Línea de volum
Línea
Línea de temperatura constante
a de
Línea de
líqu
ido
satu
rado
vapor sa
turado
Líne
Línea de temperatura constante
Líne
te
ecolinnsetan
spveocluíficmo
slupmeecnifeic
o
t
v
n
e
ta
d
s
a
LCínoen
Fig. 7.1.1 Configuración del diagrama p-h
Línea de temperatura constante
Línea de entalpía específica constante
Línea de presión constante
Línea de temperatura constante
Entalpía específica–h (kJ/kg)
(1) Líneas de presión constante
Las líneas de presión constante son líneas
horizontales perpendiculares a la escala de presión
(escala logarítmica) en el eje vertical del diagrama.
La presión es igual en todos los puntos en una
línea de presión constante.
Presión (MPa)
Vapor sobrecalentado
Líquido subenfriado
Los elementos comprendidos en el diagrama p-h
se describen abajo usando el diagrama p-h para
R22 de la Fig. 7.1.2.
Línea de presión constante
Vapor húmedo
Punto crítico K
a de
El diagrama p-h es una especie de mapa de
refrigerante que muestra las características
(presión, temperatura y cantidad de energía
térmica) del refrigerante. Los cálculos de calor
usando el diagrama p-h determinan el tamaño del
dispositivo de refrigeración, el rendimiento de la
refrigeración y la cantida de calor latente de
condensación.
La lectura del diagrama p-h también nos provee el
entendimiento del estado de operación de la
unidad de refrigeración.
La Fig. 7.1.1. muestra los elementos constitutivos
del diagrama p-h para R22. El eje vertical
reperesenta la presión y el eje horizontal
representa la entalpía específica. El diagrama p-h
contiene los siguientes elementos: líneas de
presión constante, líneas de temperatura constante,
líneas de entalpía espefícia constante, líneas de
entropía específica constante, temperatura de
saturación, línea de vapor saturado, línea de
líquido saturado, línea de secado constante y línea
de volumen específico constante.
Líne
7.1 Configuración del Diagrama p-h
LSínaea
tudreal
tíeqduid
loiqsuaitu
dralidno Línea
de entalía
specificespecífica
enthalpy line
constante
e Constant
7. Configuración del Diagrama p-h y Cálculos del Ciclo de Refrigeración
constante
(7) Línea de líquido saturado
La línea de líquido saturado se extiende desde abajo a
la izquierda hacia arriba a la derecha del lado
izquierdo del diagrama. Muestra el estado de líquido
saturado en donde el refrigerante está a punto de
hervir. Por ejemplo, el líquido refrigerante intenta
hervir a 0,5 MPa. Este estado es indicado por la
intersección de la línea de presión constante que
indica 0,5 MPa y la línea de líquido saturado, y la
entalpía en este estado es de 200 kJ/kg. La región a la
izquierda de la línea de líquido saturado muestra el
estado de líquido subenfriado. La región a la derecha
de la línea muestra el estado mixto de líquido y vapor,
esto es, el estado de vapor húmedo.
(8) Líneas de secado constante
Las líneas de secado constante unen puntos de secado
constante en la región de vapor húmedo. El secado es
un valor que indica la proporción de masa de vapor
seco saturado contenido en 1 kg de vapor húmedo. El
valor es 1 si todo el vapor es vapor seco saturado. Un
valor de secado de 0,3 indica que hay un 30% de
vapor seco saturado y un 70% de líquido saturado en
1 kg de vapor húmedo. Si x representa el secado,
entonces x =0,3 kg/kg, o simplemente x = 0,3. El
componente líquido está dado por (1-x) kg/kg. Las
líneas de secado constante son dibujadas en la región
de vapor húmedo del diagrama. Los valores de
secado se exhiben sobre la línea.
(9) Líneas de volumen específico constante.
Las líneas de volumen específico constante unen
puntos de volumen de refrigerante constante. En
algunos diagramas p-h, las líneas de volumen
específico constante están graficadas en las regiones
de vapor húmedo y vapor sobrecalentado. Las líneas
de volumen específico constante se extienden hacia
arriba a la derecha desde la línea de vapor saturado en
la región de vapor sobrecalentado del diagrama p-h
en la Fig. 7.1.2.
Por ejemplo, el volumen específico v = 0,05 m3/kg
indica un volumen de 0,05 m3 por 1 kg de
refrigerante. El volumen específico es mayor cuando
la densidad se vuelve menor y el vapor se hace más
liviano.
Vapor sobrecalentado
por seco sa
Línea de va
Vapor húmedo
turado
rad
o
satu
ido
líqu
de
Líquido subenfriado
ea
Lín
Presión
La línea de temperatura constante es vertical en la
región de líquido refrigerante a la izquierda de la
línea de líquido saturado y se extiende
aproximadamente paralela a las líneas de entalpía
específica constante. En la región del vapor
sobrecalentado a la derecha de la línea de vapor
seco saturado, las líneas de temperatura constante
se curvan levemente y caen hacia la derecha.
(3) Líneas de entalpía específica constante
Las líneas de entalpía específica constante son
líneas verticales perpendiculares a la escala de de
entalpía específica en el eje horizontal del
diagrama. El estado de entalpía específica es
idéntico en cada punto de una línea de entalpía
específica constante. La entalpía de un líquido
saturado a 0ºC es 200kJ/kg.
(4) Líneas de entropía específica constante
Estas son las muchas líneas sólidas en la región del
diagrama p-h a la derecha de la línea de vapor seco
saturado que están inclinadas arriba a la derecha
con un alto gradiente.
Estas son líneas de entropía específica constante.
Cuando el vapor del refrigerante es comprimido
adiabáticamente, el vapor sufre un cambio
isotrópico con la presión, temperatura y volumen
específico cambiando a lo largo de las líneas de
entropía específica constante.
(5) Temperatura de saturación
La temperatura de saturación se muestra a lo largo
de la línea de vapor saturado y la línea de líquido
saturado. Indica la temperatura de saturación con
respecto a la presión de saturación del refrigerante.
Por ejemplo, el punto de intersección de la línea de
presión constante de 1,564 MPa y la línea de
líquido saturado o la línea de vapor saturado indica
una temperatura de saturación de 40ºC.
(6) Línea de vapor saturado
La línea de vapor saturado es la curva a la derecha
del centro del diagrama p-h. Esta línea representa
el vapor de refrigerante que se evapora del líquido,
esto es, el estado de vapor saturado seco. La región
a la derecha de esta línea muestra el así llamado
vapor sobrecalentado (ver la Fig. 7.1.3) el cual
tiene una temperatura mayor que el vapor saturado
seco a la misma presión.
Entalpía específica
Fig. 7.1.3 Líneas de líquido saturado
y de vapor saturado
66
* El Kelvin (K) es la unidad básica de temperatura en el
sistema SI. Sin embargo, los grados Celsius (ºC) son
usados aquí dado que son usados en el diagrama p-h
para R22.
7.2 El Ciclo de Refrigeración y el
Diagrama p-h
La Fig. 7.2.1. muestra la relación entre los cambios
en el estado del refrigerante durante el ciclo de
refrigeración y el diagrama p-h.
Sin embargo, los ciclos de refrigeración no siempre
permanecen constantes sino que fluctuan
considerablemente debido a los cambios de
temperatura del agua de refrigeración y el volumen
de la substancia refrigerada. Como ejemplo, el ciclo
de refrigeración es graficado en el diagrama p-h,
asumiendo que el ciclo de refrigeración opera bajo
la condición de abajo.
<Condiciones>
Refrigerante
R22
Temperatura de evaporación
5ºC
Temperatura de condensación
50ºC
Temperatura de gas refrigerante a la entrada del
compresor
15ºC
(10ºC sobrecalentado)
Temperatura del líquido refrigerante a la entrada
de la válvula de expansión
45ºC
(5ºC subrefrigeración)
<Referencia>
Las condiciones de operación del compresor para los
acondicionadores de aire de Mitsubishi Electric
Corporation son las siguientes:
Refrigerante
R22
Temperatura de evaporación
5ºC
Temperatura de condensación
52ºC
Temperatura de gas refrigerante a la entrada del
compresor
15ºC
Temperatura del líquido refrigerante a la entrada
de la válvula de expansión
45ºC
50?C
p
(1) Temperatura de Evaporación y
Temperatura de Condensación (Fig. 7.2.2)
50?C
h
Fig 7.2.2. Temperatura de evaporación y
temperatura de condensación
Para dibujar la línea representando la temperatura de
evaporación de 5ºC, primero determine los puntos de
5ºC en las líneas de líquido saturado y de vapor
saturado.
Una estos dos puntos con una línea recta. Extienda la
línea en el extremo de la línea de vapor saturado un
poco más allá de la línea de vapor saturado. Esta línea
debería estar a 0,6 MPa de presión en el eje vertical de
presión.
En forma similar, dibuje la línea de 50ºC que representa
la temperatura de condensación determinando los
puntos de 50ºC en las líneas de líquido saturado y de
vapor saturado. Una esos dos puntos con una línea recta.
Esta línea es la línea de presión constante para 2 MPa.
Vapor sobrecalentado
Condensador
P Presión (MPa)
Vapor saturado
Líquido saturado
diagrama p–h
2
Líquido subenfriado
(Fase de condensación)
4
compre
sión)
Líquido saturado
Refrigerante
(Fase
de
Válvula de expansión
3
(Fase de expansión)
Pe
Evaporación
5?C
5?C
te=5?C
pe =0.6 MPa
Líquido subenfriado
Pc
tC=50?C
pc =2 MPa
(Fase de evaporación)
Vapor saturado
1
Vapor sobrecalentado
Vapor
Superheated
vapor
sobrecalentado
Vapor saturado
Líquido saturado
Evaporador
Compresor
h3
h1
h2
? h Entalpía específica(kJ/kg)
h4
Fig. 7.2.1 Transiciones de fase del refrigerante y el Diagrapa p-h
67
en donde esta línea se intersecta con la línea de
temperatura de condensación de 50ºC (línea de
presión constante de 2 MPa). Este es el punto 2 en
la Fig. 7.2.4.
Las condiciones en este punto son:
Presión:
2 MPa
Temperatura:
80ºC
Entalpía:
447 kJ/kg
Volumen específico:
0,0151 m3/kg
Entropía:
1,77 kJ/kg K
p
(2) Estado del Gas a la Entrada del
Compresor (Fig. 7.2.3)
tC=50ºC
Sobrecalentado
te=15ºC
te=5ºC
10ºC
1
5ºC
(4) Estado a la Salida del Condensador y
Entrada de la Válvula de Expansión (Fig. 7.2.5)
h
Fig. 7.2.3 Estado del gas a la entrada del
compresor
Dado que la temperatura de evaporación del
refrigerante en el enfriador es 5ºC, el refrigerante
existe como un vapor sobrecalentado en la entrada
de gas refrigerante del compresor a 15ºC. El punto
de intersección entre los 5ºC de la línea de
temperatura de evaporación dibujada anteriormente
(línea de presión constante de 0,6 MPa) y la línea
de temperatura constante de 15ºC en la región de de
vapor sobrecalentado que indica el estado del gas
en la entrada del compresor. (Fig. 7.2.3 Punto 1).
Las condiciones en este punto son:
Presión:
0,6MPa
Temperatura:
15ºC
Entalpía:
415kJ/kg
Volumen específico:
0,042 m3/kg
Entropía:
1,77 kJ/kg K
Sobrecalentamiento del refrigerante: 15ºC - 5ºC = 10ºC
pc
pe
5ºC
15ºC
5ºC
1
El refrigerante es un líquido subenfriado a 45 ºC
de temperatura de líquido refrigerante a la entrada
de la válvula de expansión. Este estado es indicado
por el punto de intersección entre la línea de
presión constante para 50ºC de temperatura de
condensación (ingresada antes) y la línea de
presión constante de 45ºC. Este es el punto 3 en la
Fig. 7.2.5.
Las condiciones en este punto son:
Presión:
2 MPa
Temperatura:
45ºC
Entalpía:
256 kJ/kg
(5) Estado en la Salida de la Válvula de
Expansión y Entrada del Evaporador (Fig. 7.2.6)
Compresión
15ºC
1
te=5ºC
te=5ºC
Fig. 7.5.2 Salida del condensador y entrada
de la válvula de expansión
2
te=15ºC
2
h
80ºC
50ºC
p
pe
tC=50ºC
tC=50ºC Condensación
3
(3) Cambios en el Compresor (Fig. 7.2.4)
pc
50ºC
p
Temperatura de subenfriado 5ºC
45ºC
pe
15ºC
5ºC
15ºC
pc
No hay flujo de calor en la válvula de expansión,
sólo cuando fluctúa la presión. Por lo tanto, el
estado del refrigerante en la salida de la válvula de
expansión es indicado por el punto de intersección
de la línea de presión constante para temperatura
de evaporación de 5ºC (ingresada anteriormente) y
la línea de entalpía constante de 256 kJ/kg. Este es
el punto 4 en la Fig. 7.2.6.
h
Fig. 7.2.4 Cambios en el compresor
La compresión del gas refrigerante en el compreso
se considera como compresión adiabática, como se
describió anteriormente. El refrigerante sufre un
cambio isotrópico, sin cambio en la entropía.
Dibuje una línea diagonal haca arriba a la derecha
desde el punto 1 determinado en la Fig. 7.2.3 a lo
largo de (paralela a) la línea de entropía específica
constante. El estado final de comresión es el punto
68
p
(c) La entalpía y volumen específico pueden ser
determinados para el gas refrigerante en la
entrada del compresor.
(d) La temperatura y entalpía pueden ser
determinadas para el gas refrigerante a la salida
del compresor.
(e) La entalpía y el secado del refrigerante en la
entrada del evaporador pueden ser determinadas
desde la temperatura del líquido refrigerante
justo antes de la válvula de expansión.
4
tC=50ºC
Línea de entalpía constante
Expansión
3
2
te=5ºC
1
h
Fig. 7.2.6 Salida de la válvula de expansión
y entrada del evaporador
Las propiedades del ciclo de refrigeración pueden
ser calculadas usando esos valores.
Las condiciones en este punto son:
Presión
0,6 MPa
Temperatura:
5ºC
Entalpía:
256 kJ/kg
Secado
0,25
(1) Desplazamiento teórico del compresor Vth (m3/h)
El desplazamiento teórico el es volumen teórico de
gas refrigerante ingresado y descargado por el
compresor en la unidad de tiempo, asumiendo de que
no hay pérdidas en el compresor.
El desplazamiento teórico es calculado por la
siguiente expresión (para un compresor recíproco)
7.3 Cálculos del Ciclo de
Refrigeración
En dónde:
D es el diámetro del pistón (m)
L es el largo del pistón (m)
N es la cantidad de cilindros
n es la velocidad de rotación (rpm)
7.3.1 Bases del Cálculo del
Ciclo de Refrigeración
Los siguientes valores de estado que pueden
determinarse ingresando los valores medidos y de
diseño para la unidad enfriadora en el diagrama
p-h. (ver la Fig. 7.3.1)
p
π
Vth = 4 D2L N • 60n (m3/h) ............................ (1)
(2) Desplazamiento real V (m3/h)
Dado que un compresor real está sujeto a varias
pérdidas, el desplazamiento real es menor que el
desplazamiento teórico. El desplazamiento real V es
calculado por la siguiente expresión:
2
3
pc
pe
v1
4
V = ηv • Vth (m3/h) ............................................ (2)
1
h3
h4
h
h1
ηv es conocido como eficiencia volumétrica del
compresor.
La eficiencia volumétrica ηv difiere de acuerdo a la
construcción del compresor y está generalmente
relacionada con la relación de compresión.
h2
Fig. 7.3.1 Puntos requeridos para el cálculo
del ciclo de refrigeración
Relación de
compresión
(a) La presión de evaporación (baja presión)
puede ser determinada desde la temperatura de
evaporación y vice-versa.
(b) La presión de condensación (alta presión)
puede ser determinada desde la temperatura de
condensación y vice-versa.
=
Presión de condensación
(presión absoluta)
=
Presión de evaporación
(presión absoluta)
Alta presión
Baja presión
...... (3)
Cuanto mayor sea la relación de compresión, menor
será la eficiencia volumétrica.
69
(6) Calor latente de condensación Φk (kW)
Esta es la cantidad de energía calórica que debe ser
extraida cuando el gas refrigerante de temperatura
y presión altas, que se descarga del compresor es
condensado a la forma líquida. Es la cantidad de
energía descargada desde el condensador al agua o
el aire. El calor latente de condensación se calcula
mediante la siguiente expresión:
Φk = G • (h2- h3) • 1 (kW) ..................... (8)
3600
(3) Efecto de refrigeración qo (kJ/kg)
Esta es la cantidad de energía calórica absorbida
por 1 kg de refrigerante en el evaporador
(enfriador). Está determinada como la diferencia en
la entalpía del refrigerante entre la entrada y salida
del evaporador.
qo = h1 - h4 (kJ/kg) .................................... (4)
h1 : Entalpía del refrigerante a la salida del
enfriador (kJ/kg)
h4 : Entalpía del refrigerante a la entrada del
enfriador (kJ/kg)
(7) Consumo teórico de potencia Wth (kW)
Asumiendo de que no hay perdidas en el
compresor, la potencia requerida para hacer
funcionar al compresor es calculada con la
siguiente expresión:
(4) Volumen de refrigerante circulante G (kg/h)
Se debe evaporar un cierto volumen de refrigerante
en el evaporador para lograr el rendimiento de
refrigeración previsto. El volumen (masa) de
refrigerante por unidad de tiempo es llamado
volumen de refrigerante circulante.
Si el despazamiento del compresor V (m3/h) y el
volumen específico del refrigerante a la entrada del
compresor v1 (m3/kg) son conocidos, se puede
calcular el volumen de refrigerante circulante G
usando la siguiente expresión:
V
G= υ =
1
Wth = G • (h2 - h1) •
1
(kW) ..................... (9)
3600
(8) Consumo de potencia del compresor W (kW)
La potencia real requerida para hacer funcionar al
compresor se calcula mediante la siguiente
expresión:
Wth
W= η • η
(kW) ..................................... (10)
i
m
Vth ⋅ ηv
(kg/h) ........................... (5)
υ1
ηi es la eficiencia de compresión del compresor
(eficiencia indicada) e indica las pérdidas en la
válvula de entrada y la válvula de descarga durante
la compresión del gas refrigerante.
ηm es la eficiencia mecánica y representa las
pérdidas por fricción en los rodamientos del
compresor y entre los pistones y cilindros.
La siguiente expresión puede ser usada si el
rendimiento del refrigerante Φo (kW) y el efecto de
refrigeración qo (kJ/kg) son conocidos:
Φo
G=
⋅ 3600 (kg/h) ...................................... (6)
qo
(5) Rendimiento de refrigeració Φo (kW)
Esta es la cantidad de energía calórica absorbida
por el refirgerador en la unidad de tiempo. Puede
ser calculada por la siguiente expresión:
1
= G ⋅ (h1 Ð h4)
Φo = G ⋅ qo ⋅
3600
⋅ 1 (kW) .......................................... (7)
3600
Durante este cálculo, tenga cuidado que la unidad
del refrigerante circulante difiere de la del volumen
por unidad de tiempo: kW o kcal/h.
(9) Entrada del motor P (kW)
El compresor es accionado por un motor eléctrico.
Debido a las pérdidas en el motor, la entrada del
motor es mayor que el consumo de potencia del
compresor.
W
P = η (kW) .................................................. (11)
e
En dónde, ηe es la eficiencia mecánica del motor
y representa la pérdida de energía como calor en el
motor.
70
(10) Coeficiente de rendimiento (COP)
El coeficiente de rendimiento indica la proporción
de capacidad de refrigeración por unidad de
potencia requerida para hacer funcionar al
compresor.
Consecuentemente, el coeficiente de rendimiento
un una cifra que indica la eficiencia del ciclo
refrigerante.
(e) EER y SEER
El coeficiente de rendimiento es un valor
determinado bajo ciertas condiciones del ciclo de
refrigeración. Cambia con el tiempo de operación
de la unidad. Consecuentemente, es inadecuado
para todas las evaluaciones de economía.
Por lo tanto, los siguientes indicadores han sido
recientemente usados para la evaluación de la
economía:
EER (Relación de Eficiencia de Energía) y SEER
(Relación de Eficiencia de Energía estacional).
(a) Coeficiente de Rendimiento Teórico εth
h1 - h4
εth =
.................................................... (12)
h2 - h1
EER→Energy efficiency ratio
(b) Coeficiente de Rendimiento Real ε
SEER→Seasonal energy efficiency ratio
Φo
.............. (13)
P
EER =
El coeficiente de rendimiento es abreviado como
COP y representado por el símbilo e.
7.3.2 Ejemplo de Cálculo de un
Ciclo de Refirgeración
(c) Para un Ciclo de Bómba de Calor
La cantidad de calor descargada por 1 kg de
refrigerante en el condensador es h2 - h3 (kJ/kg).
Cuando este calor es usado para calefacción, el
coeficiente de rendimiento teórico de la bómba de
calor eth, th está dado por:
El ciclo de refrigeración fue calculado para el
refrigerante R22, desplazamiento de compresor
50m3/h, temperatura de condensación 50ºC,
temperatura de evaporación 5ºC, subrenfriado 5ºC,
y sobrecalentado 10ºC.
εh, th = h2 - h3 ............................................... (14)
h2 - h1
Como h2 - h3 = (h2 - h1) + (h1 - h4), tenemos
(1) La Fig. 7.3.2.1 muestra este ciclo de
refrigeración graficado en un diagrama p-h.
(h2 - h1) + (h1 - h4)
= 1 + εth .......... (15)
h2 - h1
45ºC
p
Este es el coeficiente teórico de rendimiento del
ciclo refrigerante más 1.
2
3
0,042m 3/kg
(d) Coeficiente de Rendimiento de la Unidad
El coeficiente de rendimiento descripto arriba es el
coeficiente de rendimiento del ciclo de
refirgeración. Sin embargo, una unidad de
refrigeración requiere potencia para las bombas y
ventiladores además del dispositivo de
refrigeración. El coeficiente de rendimiento
calculado con estas entradas de potencia sumadas a
Pi (entrada del motor) nos da el coeficiente de
rendimiento de la unidad.
4
5ºC
1
256
15ºC
εh, th =
Capacidad de Refirgeración
o de calefacción
............ (16)
Consumo de potencia
50ºC
Capacidad de refirgeración
ε=
=
Entrada real de potencia
415 447
h (kJ/kg)
Fig. 7.3.2.1 Ejemplo de cálculo de un ciclo de
refrigeración
Este diagrama da:
h 1:
415 kJ/kg
447 kJ/kg
h2:
h3 = h4 256 kJ/kg
υ1:
0,042 m3/kg
Se aplican las expresiones de la sección 7.3.
71
7.4 Cambios en el Ciclo de
Refrigeración
(2) Volumen circulante de refrigerante C
Usando la eficiencia volumétrica ηv= 0,75 da
El estado de operación del ciclo de refrigeración
puede ser entendido precisamente analizando
varios fenómenos en el diagrama p-h. Los
elementos básicos referentes al estado de
operación de la unidad enfriadora son analizados
abajo usando el diagrama p-h.
50 [m3/h] • 0.75
0,042 [m3/kg]
G=
= 893 [kg/h] ................................................ (17)
(3) Capacidad de refrigeración Φ0
(1) Cambios en el Estado del Gas a la Entrada del
Compresor (Ver la Fig. 7.4.1)
p
Φ0 =893 [kg/h] • (415 [kJ/kg] - 256 [kJ/kg]) ⋅ 1
3600
=39,4 [kJ/s]
=39,4 [kW] ............................................... (18)
2c 2a
3
2b
(4) Calor latente de condensación Φk
? 1a
Φk =893 [kg/h] • (447 [kJ/kg] - 256 [kJ/kg]) • 1
3600
=47,4 [kJ/s]
=47,4 [kW] ............................................... (19)
4
1c 1a
q3
(5) Consumo de potencia W
¥ Theoretical power consumption Wth
Wth =
q2
(447-415) [kJ/kg] • 893 [kg/h]
3600
Fig. 7.4.1. Cambios en el estado del gas a la
entrada del compresor
• Consumo de potencial del compresor W
Usando ηi = 0,7 y ηm = 0,9
7,9 [kW]
0,7 • 0,9
(a) El gas de entrada está en el estado saturado
seco.
Para el ciclo de refrigeración (1a → 2a → 3 → 4),
la evaporación del refrigerante se completa
exactamente a la salida del enfriador, creando un
estado de vapor seco saturado a la entrada del
compresor. Esta compresión es conocida como
"compresión seca" y el efecto de refrigeración q
está dado por:
q1 = h1a - h4 .................................................... (25)
= 12,5 [kW] ....................... (21)
(6) Entrada del motor P
Usando ηe = 0,9 da
P=
12,5 [kW]
= 13,9 [kW] ........................ (22)
0,9
(b) El gas de entrada es sobrecalentado
A medida que aumenta la carga o la tasa de flujo
de refrigerante disminuye, todo el refrigerante es
evaporado antes de la salida del enfriador. Si se
absorbe más calor subsecuentemente, el vapor está
en el estado sobrecalentado en la entrada del
compresor y el ciclo cambia a 1b → 2b → 3 → 4.
Esta compresión es conocida como "compresión
sobrecalentada" y el efecto refrigerante q2 está
dado por:
q2 = h1b - h4 .................................................... (26)
(7) Coeficiente de rendimiento
εth =
ε=
415 - 256
447 - 415
h
q1
= 7,9 [kW] ................................................ (20)
W=
?1 b
1b
= 5 ..................................... (23)
39,4 [kW]
= 2,8 .................................... (24)
13,9 [kW]
72
Si el estado de enfriamiento del condensador se
deteriora durante la operación con el ciclo de
refrigeración 1 → 2a → 3a → 4a, la temperatura de
condensación se incrementa y el ciclo refrigerante
cambia a 1 → 2b → 3b → 4b. Por el contrario, si se
mejora el estado de enfriamiento del condensador,
la temperatura de condensación disminuye y el
ciclo refrigerante cambia a 1 → 2c → 3c → 4c.
La comparación de estos tres ciclos refrigerantes
muestra que a medida que la temperatura de
condensación aumenta, aumenta la relación de
compresión, aumenta la temperatura de descarga
del gas, disminuye el efecto refrigerante y aumenta
el consumo de potencia del compresor, lo que
resulta en un coeficiente de rendimiento reducido.
Se dice que q2 es mayor que q1 en términos de
rendimiento de refrigeración. En la práctica, la
comparación de los volúmenes específicos υ1a y υ1b
en los puntos 1a y 1b muestra que υ1 es mayor.
Sin embargo, el volumen circulante de refrigerante
es reducido. Esto significa que no sólo no se
incrementa la capacidad de refrigeración sino que
en realidad puede disminuir con algunos
refrigerantes. La vida de la unidad enfriadora puede
disminuir si aumenta la temperatura de descarga del
gas. El grado de sobrecalentamiento deberá
mantenerse alrededor de 5ºC.
(c) El gas de entrada está húmedo
Dado que la carga disminuye o la tasa de flujo de
refrigerante aumenta, algo de refrigerante líquido
puede permanecer en la salida del enfriador. El
ciclo de refrigeración cambia a 1c → 2c → 3 → 4.
Esta compresión es conocida como "compresión
húmeda" y el efecto refrigerante q3 está dado por:
q3 = h1c ®h4 .................................................... (27)
p
(3) Cambios en la Temeperatura de Evaporación
(Ver la Fig. 7.4.3)
3
Pcb
Durante la operación de compresión húmeda, q3 es
menor que q1 y la temperatura de descarga de gas
es baja, por lo que tal compresión húmeda tiene una
baja eficiencia. También puede causar daños a las
válvulas del compresor dado que el compresor
intenta comprimir un líquido. Se debe evitar la
compresión húmeda.
Pca
Pcc
P
(2) Cambios en la Temperatura de Condensación
(Ver la Fig. 7.4.2)
Considerando el caso cuando la temperatura de
condensación se aumenta o disminuye sin cambiar
la temperatura de evaporación o la temperatura de
entrada de gas.
Pca
Pcc
2a
2c
3a
3c
Pc
1
4c 4a 4b
q2
W2
q1
W1
q3
W3
c 2a
2b
1c
4c
1a
4a
1b
4b
q2
W2
q1
W1
q3
W3
h
Fig. 7.4.3 Cambios en la Temeperatura de
Evaporación
Consideremos el caso cuando se aumenta o
disminuye la temperatura de evaporación sin
cambiar la temperatura de condensación. Si la
temperatura de la substancia enfriada disminuye
durante la operación con el ciclo refirgerante 1a →
2a → 3 → 4, la temperatura de evaporación
disminuye de acuerdo a esta disminución y el ciclo
refrigerante cambia a 1b → 2b → 3 → 4. En forma
inversa, si aumenta la temperatura de la substancia
enfriada, aumenta la temperatura de evaporación
consecuentemente y el ciclo de refrigeración
cambia a 1c → 2c → 3 → 4c.
La comparación de estos tres ciclos refrigerantes
nos muestra que a medida que la temperatura de
evaporación disminuye, la relación de compresión
aumenta y la eficiencia volumétrica del compresor
disminuye. En particular, una presión de entrada del
compresor reducida provoca un mayor volumen
específico del vapor de refrigerante, por lo que se
ingresa un gas refrigerante menos denso, resultando
en un volumen circulante de refrigerante reducido y
un menor rendimiento.
2b
3b
Pcb
2
h
Fig 7.4.2 Cambios en la temperatura de
condensación
73
(4) Cambios en la subrefrigeración (Ver la Fig. 7.4.4.)
p
debido a sus propiedades, confiabilidad y
economía. La Tabla 7.5.1 muestra los principales
tipos de refrigerantes y sus aplicaciones.
Los refrigerantes basados en fluorocarbono están
compuestos por hidrocarbonos tales como metano
o etano con el hidrógeno cambiado por un
elemento halógeno, tal como el fluoruro o el
cloruro. Hay muchos tipos disponibles. Los
fluorocaronos son químicamente estables, no
tóxicos, no explosivos, no inflamables y tienen
excelentes propiedades aislantes eléctricas. Son
ampliamente utilizados como refrigerantes, como
detergentes, como agentes espumantes y
propelentes.
Sin embargo, dado que son problemáticos desde
el punto de vista ambiental, como se explicará
luego, su uso ha sido restringido y esto ha tenido
un significante impacto en los acondicionadores
de aire. La Tabla 7.5.1 lista tres tipos de
refrigerantes basados en fluorocarbono de acuerdo
a sus elementos constitutivos: CFCs, HCFCs, y
HFCs. Los CFC son refrigerantes que contiene
cloro, tal como el R12, que son usados en
refrigeradores y acondicionadores de aire de
automóviles. La producción de nuevos CFC ha
sido prohibida en 1996 dado que se determinó que
destuían la capa de ozono de la tierra. Los
refirgerantes HCFC, tales como el R22, son
usados en freezers o acondicionadores de aire.
Los HCFC tambien contienen cloro que destruye
la capa de ozono. Su producción ha sido
disminuida desde 2004 y será abolida en el 2020.
Consecuentemente, el principal tipo de
refrigerantes será el HFC que no contienen cloro.
Los refrigerantes que existen en la naturaleza,
tales como agua, amoníaco, dióxido de carbono,
hidrocarbonos, propano y butano son conocidos
como "refrigerantes naturales"
No tienen efectos nocivos en la capa de ozono y
su uso está siendo reevaluado desde un punto de
vista ambiental. El uso práctico del butano como
refrigerante en heladeras está avanzando en
Alemania en particular.
3b
3a
4b
2
4a
1
q1
h
q2
Fig. 7.4.4. Cambios en la subrefrigeración
Consideremos el caso en que la subrefrigeración
cambia durante la compresión seca saturada a
temperatura de evaporación y de condensación
constantes. Si aumenta el rendimiento de
enfriamiento del condensador y la temperatura de
líquido de la salida del condensador cae durante la
operación con el ciclo refrigerante 1 → 2 → 3a →
4a, el ciclo de refrigeración cambia a 1 → 2 → 3b
→ 4b.
Cuando se aumenta el subenfriado, aumenta el
efecto de refrigeración, resultando en un aumento
del rendimiento de refrigeración y mayor
coeficiente de rendimiento.
7.5 Mezclas de refrigerante y
Anticongelante/agua
7.5.1 Refrigerante
7.5.1.1 Tipos de refrigerante y sus
Aplicaciones
Las unidades refrigerantes se usan en un amplio
rango de temperaturas desde acondicionamiento
de aire a bajas temperaturas y también a un
diverso rango de aplicaciones.
Consecuentemente, muchos tipos de refrigerante
son utilizados en unidades de refrigeración y estos
son seleccionados de acuerdo a sus propiedades
térmicas y el tipo de compresor. La mayoría de los
refrigerantes son los basados en flouro-carbono.
Varios refrigerantes están disponibles, incluyendo
agua, amoníaco, dióxido de carbono, dicloretileno,
propano, butano, hidrocarbonos y fluorocarbonos.
Sin embargo, los refrigerantes basados en
fluorocarbono son mayormente usados en las
unidades acondicionadoras de aire modernas
7.5.1.2 Propiedades Requeridas de
Refrigerante
El refrigerante es un medio que recircula dentro
de la unidad enfriadora en donde sus cambios de
fase proveen la acción refrigerante. El refrigerante
debe tener las siguientes propiedades.
(1) Alto calor latente de evaporación a una
conveniente baja presión de evaporación.
(2) Fácil licuefacción a una adecuada alta presión
de condensación.
(3) Un volumen específico bajo y buenas
propiedades de transferencia de calor.
74
(4) Seguro. No tóxico y no explosivo.
(5) Estable química y térmicamente.
No corrosivo
(6) Buenas características lubricantes y de
humedad.
Exelentes propiedades de aislación térmica.
(7) Barato y fácil de obtener. Permite una fácil
detección de fugas.
(8) Amigable ambientalmente. No destruye la
capa de ozono no promueve el calentamiento
global.
Table 7.5.1. Principales refrigerantes y sus aplicaciones
Clase
CFC
Características
Compuestos de Cloro
Fluorocarbono
Especificado
Refrigerante
R11
R12
contienen cloro que es
fluorocarbono altamente destructivo
para la capa de ozono.
R13
El potencial de
destrucción del ozono
R113
es de 0,5 a 1,0
HCFC
Designado
Compuestos de
Hidrocloro
Fluorocarbono
Nuevo
Hidrofluorocarbono
Turbo refrigerador
Refrigeradores, Dispositivo
de refrigeración,
acondicionadores de aire
de autos, turbo refrigerador.
Unidades de ultra baja
temperatura (enfriador binario)
Enfriadores de cabina
R502
Exhibidores,
unidades refrigeradoras
R123
Turbo refrigerador
R22
R134a
Siguiente generación de
refrigerante refrigerantes
conteniendo hiddrógeno R404A
pero no cloro.
El potencial de
R407C
destrucción del ozono
es 0.
R410A
Regulaciones
Producción discontinuada
en 1996.
Turbo refrigerador compacto
R114
fluorocarbono contienen menos cloro
que lso CFC y son
levemente destructivo
para la capa de ozono.
El potencial de
destrucción del ozono
es de 1/10 a 1/50 de los
CFC.
HFC
Ejemplos de aplicación
Restricciones de
producción desde 1996.
Acondicionadores de aire, Producción reducida
unidades refrigeradoras,
desde 2004.
Turbo refrigerador
Eliminación total
para 2020.
Refrigeradores, Dispositivo
de refrigeración,
acondicionadores de aire
de autos, turbo refrigerador.
Dispositivo de
refrigeración,
Turbo refrigerador.
Acondicionadores de aire
compactos.
Acondicionadores de aire compactos,
Acondiconadores de aire ambiente
75
Designado como gas
invernadero en COP3
(Conferencia de Kyoto)
en 1997 y sujeto a
restricciones de descarga.
7.5.1.3 Propiedades del Refrigerante
El R410A es casi una mezcla azeotrópica de los
refrigerantes R32 y R125. Ambos refrigerantes
tenen puntos de ebullición comparativamente
similares de -52ºC y -49ºC respectivamente. La
relación de composición del R410A por lo tanto
casi no cambia haciendo el manejo de las
relaciones de composición relativamente sencilla.
Sin embargo, la unidad debe ser reforzada para
soportar presión, dado que la presión del R410A
es 60% superior al R22.
Por lo tanto, este refrigerante es utilizado en
acondicionadore de aire ambiente relativamente
pequeños con circuitos refrigerantes simples. El
refrigerante tiene un mayor efecto refrigerante que
el R22, por lo que se puede obtener idéntico
rendimiento con compresores más chicos.
El R404A es una mezcla de R125, R143a y
R134a.
Sin embargo, este es un refrigerante mezcla
casi azeotrópico, dado que la proporción de
R134a es pequeña. Por lo tanto, la relación de
composición del R404A casi no cambia. Este
refrigerante es usado en dispositivos de
refrigeración de baja temperatura.
Los refrigerantes mezcla HFC son generalmente
cargados como líquido, debido a los
requerimientos de manejo de la composición. se
debe proveer adecuada educación, debido a los
requerimientos de servicio durante la inspección y
el mantenimiento son mas severas que para los
refrigerantes convencionales.
(1) La Comparación de las Propiedades
Refrigerantes (Tabla 7.5.2) enumera los valores de
propiedades para los principales fluorocarbonos y
amoníacos. La producción de CFC fue
discontinuada en 1996 debido a las regulaciones
para los fluorocarbonos. Este refrigerante ahora
permanece sólo en las unidades existentes y para
aplicaciones de service. El R12 es un CFC barato y
químicamente estable que fue ampliamente usado
en refrigeradores domésticos, acondicionadores de
aire de autos y turbo refrigeradores. Sin embargo,
contiene cloro y tiene un gran potencial de
destrucción del Ozono y alto potencial de
calentamiento global. Consecuentemente, los CFCs
han sido reemplazados por los HFCs.
El HCFC R22 tiene una mayor presión que el R12
pero ofrece un exelente efecto de refrigeración y es
ampliamente usado en los equipos de
acondicionamiento de aire. Tambien contiene cloro
y tiene un potencia de destrucción del ozono no
cero. Su producción está siendo eliminada y será
abolida para el 2020. Por lo tanto, los fabricantes
de acondicionadores de aire están pasando a los
refrigerantes hidrofluorocarbono (HFC) como
alternativa.
Los HFC se componen de hidrógeno, fluor y
carbono, pero no contienen cloro, por lo que su
potencial de destrucción del Ozono es cero. Sin
embargo, su potencial de calentamiento global es
aproximadamente el mismo que el de los HCFC. El
refrigerante simple R134a es un sustituto HFC para
el R12.
Sin embargo, se utilizan refrigerantes mezcla
como sustituto para el R22, dado que aún no se ha
encontrado un refrigerante simple sustituto.
Los HFC son inmezclables (incompatibles) con los
aceites lubricantes (aceite mineral, aceite
alkilobenzeno, etc.), convencionalmente usados
para los compresores. Se debe utilizar un aceite
lubricante compatible tal como el aceite ester
sintético.
El R407C es un refrigerante mezcla azeotrópico
que es una mezcla de R32, R125 y R134a. Dado
que su composición difiere en las fases líquida y
gaseosa, se requiere una administración de las
relaciones de composición tecnológicamente
sofisticada cuando se usa el refrigerante en
gradientes de temperatura dentro de los
intercambiadores de calor. Consecuentemente, el
R407C es usado comercialmente en
acondicionadores de aire grandes compactos en
donde hay disponible experiencia sofisticada para
el servicio.
(2) Diagrama p-h de refrigerante
Las Figuras 7.5.5 - 7.5.9 muestran los diagramas
p-h para los refrigerantes típicos R22, R134a,
R404A, R407C y R410A.
76
Tabla 7.5.2 Propiedade químicas de los principales refrigerantes
Clase
CFC
HCFC
Amoniaco Isobutano
HFC
Nombre del refrigerante R12
R502
R123
R22
R134a R404A R407C R410A R717 R600a
Nombre del
componente
R22/
R123
R22
R134a R125/
R12
R32/
R32/
R717 R600a
R143a/ R125/ R125
R115
R134a R134a
Composición %
100
48.5/
100
100
100
4
51,2
Refrigerante simple/
refrigerante mezcla
44/52/ 23/25/ 50/50
100
52
Simple Simple Simple Mezcla casi Mezcla Mezcla casi Simple Simple
Simple Mezcla
azeotrópica
azeotrópica zeotrópica azeotrópica
Contiene color
Si
Si
Si
Si
No
Inflamabilidad
A1
A1
B1
A1
A1
Peso molecular
120,9
111,6
152,9
86,5
102,3
97,6
82,6
Punto de ebullición (1 atm) ºC
-29,8
-45,4
27,7
-40,8
-26,8
-46,5
Presión de evaporación (25ºC)MPa
0,67
1,19
0,09
1,04
0,68
Densidad de vapor saturado (25ºC) kg/m3
36,9
65,6
5,9
44,3
Potencial de destrucción del Ozono (ODP)
1,0
0,334
0,02
8.500
5.600
93
Potencial de
calentamiento global
(GWP)
Método de carga del
refrigerante
100
No
No
B2
A3
72,6
17,3
58,1
-43,6
-51,4
-33,3
-11,7
1,27
1,02
1,66
1,03
0,38
32,2
63,69
42,5
64,0
7,8
9,3
0,055
0
0
0
0
0
0
1.700
1.300
3.260
1.770
1.730
<3
<3
No
No
No
A1/A1 A1/A1 A1/A1
Carga Carga Carga Carga Carga Carga Carga Carga Carga Carga
de
de
de gas de gas
de gas de gas de gas de gas de gas de
líquido líquido líquido
Posibilidad de recarga
Si
Si
Si
Si
No
No
No
Si
Si
Si
después de fuga
* 1: ODP basado en R11.
* 2: GWP basado en CO2.
* 3: Para cargado de líquido, El refrigerante está en su estado líquidoa la salida del cilindro pero en estado gaseoso a la entrada del compresor.
* 4: No es posible la recarga debido a que la composición del gas cambia cuando ocurre una pérdida. El remedio difeire de unidad
t. a unidad.
77
7.5.1.4 Fluorocarbonos y el Entorno
Global
encarada desde 1996, y los HCFC serán abolidos
en 2020. La Fig. 7.5.2 muestra estas agendas.
Se han usado grandes cantidades de
fluorocarbonos en los años recientes, no sólo en
los acondicionadores de aire sino también como
agentes espumantes y agentes limpiadores. La
mayoría de ellos fueron descargados directamente
a la atmósfera después de su uso. Sin embargo,
dado su rol en la destrucción de la capa de ozono y
la promoción del calentamiento global, que ha sido
mejor entendido como se muestra en la Fig. 7.5.1,
muchos paises han unificado y aplicado
regulaciones en el uso de fluorocarbonos para
proteger el ambiente.
??
Protocolo de Monteral
(%)
100
80
65%
60
20
Fluctuaciones climáticas
Aumento del nivel de mares
Desetización
Polución marina
Infrarrojo
Harmful UV
Lluvia acida
Longitudes de onda cortas
Cáncer de piel
Cataratas
Aumento del UV dañino
Reducción de la forestación tropical
Aumento de gas de efecto invernadero
Desarrollo de paises desarrollados
15%
Abolición
94 96
00
04
10
15
2020(año)
Fig. 7.5.2 Regulaciones de producción de
CFCs y HCFCs
(2) Calentamiento Global
La Fig. 7.5.3 muestra la media global de las
temperaturas del aire. Se mantiene un balance
entre la energía solar incidente desde el sol y la
energía (infrarroja) irradiada de vuelta desde la
Tierra hacia el espacio. Los gases greenhouse,
tales como el CO2, ozono, vapor de agua, metano
y fluorocarbonos en la atmósfera de la tierra
absorben la radiación solar y la radiación
infrarroja emitida desde la superficie de la Tierra y
atmósfera para causar un aumento en la
temperatura atmosférica.
Se ha descubierto que el incremento en los gases
invernadero en la atmósfera en los años recientes
ha reducido la proporción de la radiación
infrarroja desde la superficie de la Tierra que se
descarga al espacio, resultando en una tendencia
de aumento de la temperatura media global. Todos
los paises han estado debatiendo como solucionar
este problema. El dióxido de carbono es el mayor
gas invernadero y la reducción de emisiones de
CO2 en el punto principal que se está discutiendo
por las naciones del mundo.
Destrucción de la Capa de Ozono
Stratosphere
Estratósfera
Capa de
Ozone
ozono layer
Calentamiento global
Abolición
1986 89
Sol
Aumento de gas de efecto invernadero
HCFC
CFC
Uso de químicos
Uso de combustibles fósiles
35%
40
El Entorno Global y Refrigerantes
Actividad económica de alto nivel
Resultado
Result
for Japan
para
Japón
Aumento de población
Fig. 7.5.1. El entorno global y los refrigerantes
(1) Destrucción de la Capa de Ozono.
Los fluorocarbonos son extremadamente estables
químicamente. Cuando se los descarga en la
atmósfera, se dispersan hacia arriba en la
estratósfera sin degradarse, se ha descubierto que
cuando los fluorocarbonos (CFC, HCFC) alcanzan
la estratósfera, se dividen debido a la radiación UV
y el cloro disociado rompe la capa de ozono. La
capa de ozono existe 25 a 35 km sobre la
superficie terrestre. Ella corta las UV de longitud
de onda corta del sol que son dañinas para la vida
y protege al ecosistema marino y terrestre,
incluyendo humanos, de sus efectos nocivos. Si se
rompe la capa de ozono, las dañinas radiaciones
UV alcanzarían la superficie terrestre. Esto
aumento la preocupación respecto del daño a la
salud, incluyendo una gran incidencia en el cancer
de piel y cataratas.
Las conferencias sobre las regulaciones del
fluorocarbono se dieron por todo el mundo,
resultando en la adopción del Protocolo de
Montreal en 1987. Subsecuentemente, los CFC
fueron abolidos en 1995, antes de la prescripción
en las regulaciones. La producción de HCFCs fue
Mecanismo de Calentamiento Global
El calor solar alcanza la tierra a una tasa de 343 W/m2
La superficie absorbe el 70% de este calor (240 W)
y el 30% es nuevamente reflejado al espacio (103 W).
Superficie terrestre: 174 W (51%)
Convección: 103 W (30%)
Atmósfera/nubes: 65 W (19%)
Emisión infrarroja:
72 W (21%)
gas de efecto invernadero
CO2, metano, N2O, fluorocarbonos, vapor de agua
Fig. 7.5.3 Mecanismo de calentamiento global
78
atmósfera está regulada por ley. Mientras que en
Japón está atrás, la descarga de fluorocarbonos en
la atmósfera está ahora comenzando a ser
controlada por la Ley de Reciclado de Artefactos
del Hogar.
Los refrigerantes recuperados deben ser
regenerados o pasivados y desechados. Sin
embargo, el método difiere de acuerdo al tipo de
fluorocarbono.
La producción de clorofluorocarbonos (CFCs) ha
sido discontinuada y están siendo reemplazados
por los refrigerantes HFC. El objetivo son los
CFCs que están contenidos en las unidades
producidas previamente que aún están en uso en
el mercado. Consecuentemente, con la excepción
de los CFCs destinados para reusar después del
recupero, estos CFCs son pasivados y desechados.
Los refrigerantes hidrofluorocarbonos (HCFC),
tales como el R22, actualmente usados en
acondicionadores de aire están siendo
reemplazados por los HFCs. La producción de
R22 está siendo dejada de lado pero continuará
por un tiempo. Desde el punto de vista de la
utilización de los recursos, cualquier HCFC que
pueda ser regenerado después de la recuperación
podrá se usado.
Los hidrofluorocarbonos, tales como el
refrigerante simple R134a, puede ser regenerado.
Sin embargo, los refrigerantes mezcla, tales como
los reemplazos del R22, R407C y R410A y los
refrigerantes de baja temeperatura R404A, no
pueden ser regenerados. Después de la
recuperación, deben ser pasivados y desechados.
Muchos desafíos se enfrentan para el recupero del
futuro, regenración y disposición de los
flourocarbonos desde la perspectiva ambiental. El
punto más importante es establecer redes en todo
el país para el recupero, regeneración y
disposición de los fluorocarbonos. Tambien, La
Asociación Japonesa de la Industria de
Acondicionadores de Aire y Refrigeración, la
Asociación Japonesa de Contratistas de
Acondicionadores de Aire y Refrigeración y la
Asociación de Fabricantes de Fluorocarbono de
Japón están conjuntamente creando Centros de
Promoción y Tecnología del Reciclado de
Refrigerantes para promover el recupero de
refrigerantes.
Los refrigerantes de fluorocarbono tienen un alto
potencial de calentamiento global. Los HFCs
fueron designados como gases de efecto
invernadero y se fijaron metas de reducir la emisión
de los gases de efecto invernadero en el protocolo
de Kyoto que fue adoptado en la 3ra Sesión de la
Conferencia de las Partes de las Naciones Unidas
en el Marco de la Convención de Cambio Climático
(COP3) efectuada en Kyoto en 1997.
Muchos fluorocarbonos tienen más de 1000 veces
el efecto invernadero del CO2 (Ver la Fig. 7.5.4).
Debido a los bajos volumens absolutos de los
fluorocarbonos en la atmósfera, el efecto directo
de los fluorocarbonos en sí no son insignificantes.
Mucho más significantes son los efectos indirectos
de los refrigeradores y acondicionadores de aire en
el efecto invernadero que resulta en la generación
de CO2 emitida cuando se genera la energía para
alimentarlos.
Consecuentemente, mejorar el COP (Coeficiente de
rendimiento) de los dispositivos de refrigeración y
acondicionadores de aire se logra mejor
disminuyendo su consumo de energía y, por lo
tanto, sus emisiones de CO2. Los dispositivos de
refrigeración y acondicionadores de aire eficientes,
de bajo consumo de potencia son ahora el tema
principal.
Potencial de Destrucción del Ozono (ODP) y Potencial de Calentamiento Global (GWP)
1.0
11
ODP
12
114
113
0.5
115
141b 142b
22
225ca
124
32
125 143a
134a 410A 404A
407C
5000
GWP
10000
Nota: El tamaño del círculo representa lavida del refrigerante
: CFC
: HCFC
: HFC
Fig. 7.5.4 ODP y GWP
(3) Recuperación, Regeneración y Disposición de
los Fluorocarbonos
Aparte de la descarga de CO2 en la atmósfera
debido a la generación de energía, los
flourocarbonos tienen un efecto de detrimento en el
ambiente global cuando son descargados en la
atmósfera. Los fluorocarbonos no causan
problemas mientras permanecen sellados en los
circuitos refrigerantes, Consecuentemente, la
descarga de fluorocarbonos a la atmósfera durante
la inspección, mantenimiento o disposición de
dispositivos refrigerantes y acondicionadores de
aire es el problema. En las Naciones Occidentales
avanzadas, la descarga de fluorocarbonos a la
79
Entalpía específica
(
)
Fig. 7.5.5 Diagrama p-h para R22 (1)
Presión
(
80
)
Entalpía específica
Fig. 7.5.6 Diagrama p-h para R134a (2)
Presión
81
Entalpía específica
Fig. 7.5.7 Diagrama p-h para R404A
Presión
82
Entalpía específica
Fig. 7.5.8 Diagrama p-h para R407C
Presión
83
Entalpía específica
Fig. 7.5.9 Diagrama p-h para R410A
Presión
84
7.5.2 Mezclas Anticongelante/agua
No se han encontrado mezclas anticongelante/agua
que cumplan con todas esas propiedades. Las
mezclas anticongelante/agua más frecuentemente
usadas son los anticongelantes basados en
cloro/agua y las mezclas anticongelante basados en
glicol con agua.
Las mezclas de anticongelante basado en
cloro/agua son baratas, fáciles de usar y ofrecen
buenas propiedades de transferencia de calor. Sin
embargo si la mezcla de anticongelante tiene un
contenido de sal, se deberá agregar un inhibidor de
corrosión. La lejía es por ejemplo naturalmente
muy corrosiva. Las mezclas de anticongelante
basados en glicol/agua tienen baja corrosión. Las
mezclas de propilen glicol/agua no son tóxicas y
son usadas frecuentemente para refrigerar
alimentos a temperaturas de -30ºC.
La concentración de mezclas anticongelante/agua
deben ser cuidadosamente controladas. Si las
mezclas de anticongelante/agua son expuestas a la
atmósfera, se condensará el agua de la atmósfera y
diluirá la concentración de la mezcla de
anticongelante/agua.
7.5.2.1 Tipos de mezclas
Anticongelante/agua y Sus Aplicaciones
Cuando no es posible la refrigeración directa
usando refrigerantes de fluorocabono, se aplica un
método de refrigeración indirecto usando agua fría
o algo similar.
Sin embargo, cuando se intenta alcanzar bajas
temperaturas usando agua puede provocar que el
agua se congele, por lo que es necesario un líquido
anticongelante para disminuir el punto de
congelación del agua. Esta mezcla de
anticongelante/agua es el medio que transfiere
calor en un sistema de refrigeración indirecta.
También puede ser llamdo "refrigerante
secundario" o "refrigerante indirecto"
Los siguientes tipos de mezclas
anticongelante/agua son usados en aplicaciones de
refrigeración:
Mezcla de antcongelante inorgánico/agua
Solución de cloruro de calcio o solucion
de cloruro de sodio, etc.
Mezcla de antcongelante orgánico/agua
Solución de Etilenglicol en agua, solución
de propilenglicol en agua, etc.
Las mezclas anticongelante/agua se usan en
enfriadores de mezcla de agua en plantas de
fabricación de helado, depósitos refrigerados,
fábricas de alimentos, plantas químicas o pistas de
patinaje en hielo, en dónde se requiere
refrigeración.
7.5.2.2 Propiedades Requeridas de las
Mezclas Anticongelante/agua
Las mezclas anticongelante/agua son un
refrigerante indirecto que actúa como medio de
transferencia de calor. Las mezclas
anticongelante/agua deben tener las siguientes
propiedades:
(1) Gran calor específico y buenas propiedades
térmicas.
(2) Baja viscosidad y baja temeperatura de
congelación.
(3) Ser no inflamable y térmicamente estable.
(4) No corrosivo y fácil de modificar
(5) No tóxico e inodora.
85
8. Compresor
el diámetro y golpe del pistón. El absorber el gas
de entrada para llenar el desplazamiento total del
pistón aumenta la eficiencia.
El siguiente diagrama muestra la relación entre el
volumen del cilindro y la presión en el ciclo de
compresión.
8.1 Acción y Rol del Compresor
El compresor es una pieza esencial del equipo.
Aumenta la presión del refrigerante para circular el
fluido refrigerante por el circuito refrigerante.
El rol del compresor se resume abajo.
Presión
1 Comprimir al gas refrigerante e incrementar la
presión del refrigerante de modo que circule por
el circuito refrigerante.
2 Incrementar la presión lo suficiente para
condensar al gas refrigerante.
3 Tomar contínuamente gas refrigerante que ha
evaporado el evaporador.
Consecuentemente, la presión en el evaporador
debe mantenerse lo suficientemente bajo para
hacer que el gas refrigerante se evapore a la
temperatura requerida.
Descarga
Presión de
condensación
Compresión
Expansión
Entrada
Presión de
evaporación
Volumen
Refrigerante ingresado
Desplazamiento del compresor
Juego de golpe
Espacio superior
Lado de entrada
Lado de descarga
del compresor
del compresor
Compresor
Negativa
Fig. 8.2.1 Ciclo de compresión
Positiva
Un compresor recíproco debe estar diseñado
estructralmente con algo de juego (espacio libre
superior) de modo que el pistón no pueda hacer
contacto con la cabeza del cilindro. Un
compresor rotativo puede tener un muy pequeño
espacio libre superior, mientras que un
compresor scroll puede tener un espacio aún
menor.
Los diferentes tipos de compresores resultan de
los intentos de modificar el ciclo de compresión
para obtener una mayor eficiencia.
Compresores con idéntico desplazamiento de
pistón pueden lograr diferentes rendimientos de
refrigeración debido a las diferentes densidades
del gas tomado por el cilindro.
Consecuentemente, cuando se expresa la
capacidad de un compresor, la presión de
entrada, presión de descarga y refrigerante usado
deben ser determinados inicialmente.
La relación de compresión, que indica el estado
de compresión del gas refrigerante, se usa para
expresar las características de compresión de un
compresor.
Fig. 8.1.1 Acción del compresor
8.2 Ciclo de Compresión
Hay disponibles una variedad de compresores, pero
sus componetes básicos para comprimir el
refrigerante son los mismos.
Entrada de gas refrigerante
Fase de entrada
Compresión del gas refrigerante Fase de
compresión
Descarga del gas refrigerante
Fase de descarga
Expansión del gas refrigerante Fase de
expansión
El compresor absorbe el refrigerante proveniente
del evaporador dentro del cilindro. Reduce el
volumen en el cicindro para comprimir al gas.
En un compresor recíproco, el desplazamiento del
pistón (volumen de golpe) está determinado por
Relación de
compresión
86
Presión de
descarga absoluta
Presión de
entrada absoluta
Alta
presión
Baja
presión
Dado que la relación de compresión cambia, la
eficiencia del compresor difiere. A veces la
relación de compresión es llamada "relación de
presión".
Por ejemplo, como se muestra en la Fig. 8.2.1 al
cambiar la relación de compresión, varía el
volumen de refrigerante que permanece en el
espacio libre del cilindro que se puede reexpandir,
cambiando el volumen actual de refrigerante que
se puede ingresar.
C2
w2
u2
w1
C1
N
u1
8.3 Tipos de Construcción de
Compresor.
r2
8.3.2 Principio de operación de un turbo
compresor
Si un gas refrigerante es sellado en un envase y el
volumen del envase disminuye, la presión
aumenta. No sólo aumenta la presión, sino que
también aumenta la temperatura.
En forma sencilla, si el volumen del envase que
contiene el refrigerante disminuye a 1/10 del
volumen original, la presión aumenta 10 veces.
Los compresores basados en este principio son
llamados compresores de desplazamiento positivo.
Las pistolas básicas de agua con la que juegan los
chicos usan un tipo de compresor de
desplazamiento positivo.
Los compresores de desplazamiento positivo
incluyen a los compresores recíprocos que
contienen pistones que se mueven hacia atrás y
adelante en los cilindros y compresores rotativos.
Compresor
Compresor centrífugo (turbo compresor)
Compresor de desplazamiento positivo
Compresor recíproco
Compresores rotatorios
Compresores rotativo
Tipo pistón rotatorio
Tipo aleta rotatoria
Compresor scroll
Compresor a tornillo
Tipo tornillo simple
Tipo tornillo doble
Tipos de Compresor
Los compresores recíprocos son generalmente
relativamente grandes. Los grandes compresores
con pistones horizontales y verticales alineados han
sido fabricados por mucho tiempo. Los
compresores compactos, de alta velocidad,
multicilindros, recíprocos han entrado
recientemente en producción. En principio, Los
conversores de motor rotativo fuerzan a los
movimientos recíprocos que causen grandes
vibraciones.
En ese punto, ocurren menos vibraciones en un
compresor rotativo en el cual el movimiento
rotativo comanda directamente la compresión.
Los compresores rotativos son generalmente usados
para unidades compactas, incluyendo los
compresores de piston giratorio en un cilindro y los
compresores de aleta giratoria con aletas que se
mueven radialmente.
Los compresores scroll (barrido) que han sido
ampliamente utilizados recientemente y los
compresores a tornillo para grandes
acondicionadores de aire y equipos refrigerantes
han sido adoptados.
Gas
refrigerante
Gas sellado en
un envase
r1
Volumen disminuido
para compromir el gas
Fig. 8.3.1 Principio de operación del
compresor de desplazamiento positivo
El compresor centrífugo (turbo compresor) es otro
tipo de compresor. Un ventilador de altas
revoluciones absorbe al gas refrigerante y le
imparte enegía cinética (fuerza centrífuga debido a
su rotación) al gas. Dado que la velocidad del gas
disminuye dentro del difusor, la energía cinética es
convertida a presión.
El ventilador acelera la gas refrigerante desde C1
hasta C2 resultando en un aumento en la energía
del refrigerante.
87
8.4 Compresores Semi-herméticos
Las unidades son ensambladas con bulones y
arandelas, permitiendo un relantivamente fácil
desarmado y mantenimiento.
No se requieren sellos de ejes, lo cual reduce el
peligro de fuga de gas. El motor es refrigerado
por el gas de entrada, lo cual aumenta el
sobrecalentamiento del gas de entrada. Dado que
el gas refrigerante toca los bobinados del motor,
se debe utilizar un refrigerante que no dañe al
material de aislación.
Los compresores semiherméticos tienen las partes
de compresión y de accionamiento (generalmente
un motor eléctrico) conectadas directamente por un
eje de empalme dentro del mismo gabinete.
La Fig. 8.4.1 muestra un compresor semihermético, recíproco, multi-cilindro.
Los compresores semiherméticos son mas
compctos que los compresores del tipo abiertos y
producen menos vibración y ruido.
Descargador
Colector de
descarga
Pistón
Válvula
de pluma
Entrada
Bomba centrífuga de gas
Descarga
Filtro de succión
Motor
Bomba de Calefactor del
aceite
cárter
Rodamiento
Cigúeñal
Fig. 8.4.1 Compresor recíproco multi cilindro
88
8.5 Compresores Rotativos
Tubería de carga
Los compresores rotativos pueden ser
groseramente clasificados en compresores de
pistón rodante que tienen un postón excéntrico
rodante y compresores de aleta deslizante en los
cuales las aletas deslizantes forman la cámara de
compresión.
Válvula de
descarga Puerto de
cerrada entrada
Tubería de
descarga
Válvula de
descarga
abierta
Punto de
Tubería de entrada
suspensión
Terminal
de vidrio
Silenciador
de entrada
Estator
Compresión
Rotor
Descarga completa,
entrada completa
Compresión iniciada,
carga iniciada
Descarga iniciada,
carga en proceso
Eje
Descarga en proceso,
carga en proceso
(a) Tipo pistón rotativo
Compresión 1
Compresión 2
Cabeza del
cilindro
Carga completa,
compresión iniciada
Válvula de
Descarga completa,
descarga abierta compresión iniciada
Puerto de retorno
de aceite
Válvula de descarga
abierta
(b) Tipo aleta deslizante
Fig. 8.5.2 Compresor rotativo tipo
pistón giratorio
Fig. 8.5.1 Proncipio de operación de los
compresores rotativos
La Fig. 8.5.3 muestra un compresor rotativo
horizontal de un refrigerador doméstico:
En los compresores rotativos, el pistón que provee
la compresión rota en el mismo sentido que el
motor de giro. Ellos rotan suavemente con poca
vibración y ruido.
Dado que son compactos y tienen pocos
componentes, son usados para acondicionadores
domésticos y refrigeradores. Estos son
compresores compactos con una capacidad hasta la
clase nominal de 8kW.
El principio de operación de los compresores
rotativos ha sido conocido por mucho tiempo.
Fueron desarrollados en 1970 usando tecnologías
de maquinaria de precisión y técnicas de análisis
térmico y estructural.
En la Fig. 8.5.2, el refrigerante comprimido
inicialmente llena la cuba y luego es descargado.
Este tipo de compresor es llamado compresor de
coraza de alta presión.
Fig. 8.5.3 Compresor rotativo horizontal
89
8.6 Compresor Scroll
Caja de terminales
Como los compresores rotarivos, el principio de
operación del compresor scroll ha sido conocido
por largo tiempo. Su producción fue posible
gracias a los avances en las tecnologías de
maquinaria de precisión para cámaras de presión.
Los compresores scroll no requieren de válvulas
de entrada o salida y logran una gran eficiencia de
compresión. Tienen menor fluctuación de torque
de compresión que los compresores rotativos.
Puerto de
descarga
Válvula de
verificación
Tubo de descarga
Coraza
Hélice fija
Sello
Acople
Oldham
Hélice orbital
Rodamiento
de seguridad
Soportes
Rodamiento
Eje principal
Filtro de
succión
Tubo de
entrada
Hélice orbital
Cámara de
compresión
Motor
Silenciador de
descarga
Bómba de aceite
Comienzo de Hélice fija
la compresión 0º
Fig. 8.6.2 Compresor scroll
90º
La Fig. 8.6.2 muestra un compresor de coraza de
baja presión pero algunos fabricantes producen
compresores de coraza de alta presión.
Puerto de
entrada
Puerto
de entrada
270º
180º
Fig. 8.6.1 Principio de operación de los
compresores scroll
La Fig. 8.6.1 muestra el principio de operación del
compresor scroll. Se compone de la combinación
de una hélice fija y una orbitante. Una cupla
Oldham mantiene la orientación de la hélice
orbitante cuando orbita alrededor del eje principal.
Durante el movimiento de orbitación, las dos
hélices forman una cámara de compresión de
forma de luna creciente. A medida que progresa el
movimiento orbital, el volumen de la cámara de
compresión disminuye y el aire es comprimido,
como se muestra en la Fig. 8.6.1.
Como la hélice mostrada en el diagrama tiene tres
giros, el proceso de compresión se completa en
tres vueltas. la compresión es muy suave, por lo
que las fluctuaciones del torque de compresión
son pequeñas y los compresores producen muy
baja vibración y ruido.
90
8.7 Compresor a Tornillo
rotor tornillo y los rotores compuerta.
El volumen de la cámara de compresión disminuye
a medida que progresa la rotación.
Las presiones del gas comprimido son las mismas
arriba y abajo de los rotores que la compuerta
izquierda y derecha, permitiendo una rotación
estable. Este mecanismo no requiere de válvulas de
entrada o salida, haciéndolo extremadamente
confiable.
El Coeficiente de Rendimiento es mayor para
compresores de gran capacidad pero cae a medida
que la capacidad decrece. Estos compresores son
usados en dispositivos de refrigeración de
capacidad mayor o igual a 40HP.
Los compresores a tornillo están disponibles como
tipo de doble tornillo o tipo de tornillo simple. Los
del tipo de doble tornillo es ahora usado
comunmente para compresores de aire y
compresores de refrigerante.
La producción de compresores de refrigerante
medianos y grandes comenzó a fines de 1970.
Mitsubishi Electric Corporation fabrica
compresores de tipo de tornillo simple.
Como se muestra en la Fig. 8.7.1, un compresor
de tornillo simple se compone de un rotor tornillo
y dos rotores compuerta. Las cámaras de
compresión están formadas entre el diente del
Fase de entrada
Fase de compresión
Fase de descarga
Rotor compuerta
B
B
Encapsulado
Rotor tornillo
B
Puerto de descarga
A
Gas de entrada
A
Rotor compuerta
El rotor de tornillo está contenido
en el encapsulado. Está acoplado
con los rotores de compuerta
opuestos a 180º A y B a cada
lado.
A medida que rota el rotor
tornillo, el volumen de la ranura
del rotor tornillo se expande y el
gas refrigerante es absorbido a la
ranura.
A
Gas de descarga
A medida que progresa el giro
del rotor tornillo y el volumen de
la ranura del rotor tornillo
alcanza su máximo, el rotor
compuerta A se acopla (*) y el
gas queda completamente
atrapado entre la ranura, el rotor
de tornillo y el encapsulado. A
medida que el rotor continúa
girando, el volumen
de la ranura disminuye y
comprime al gas.
Cuando la presión del gas
alcanza a la presión de descarga,
se abre el puerto de salida y
permite que se descargue el gas
desde la ranura.
El gas comprimido es descargado
contínuamente anted que el
volumen de la ranura sea nulo.
Nota: La descripción de arriba se aplica al rotor de compuerta A. El rotor de compuerta B opuesto a 180º comprime el gas en forma simultánea.
Fig. 8.7.1 Compresor de tornillo simple
91
Fase de entrada
Un compresor de tornillo doble comprime gas
usando un rotot macho y otro hembra que se
acoplan como se muestra en la Fig. 8.7.2.
Se requiere de un cálculo complejo para
determinar el desplazamiento del pistón de un
compresor a tornillo.
Puerto de
descarga
Puerto de
entrada
Fase de compresión
Puerto de
descarga
Puerto de
entrada
Fase de descarga
Puerto de
descarga
Puerto de
entrada
Fig. 8.7.2 Compresor de tonillo doble
Fig. 8.7.3 Compresor de tornillo simple
Las unidade enfriadoras con grandes compresores a
tornillo tienen capacidades de refrigeración desde
140 a 1000 USRT.
92
8.8 Compresor Centrífugo
Difusor móvil
Carcaza
cerrada
Aspirador
Engranajes escalonados
Aleta guía
Motor enfriado por
refrigerante
Refrigerante HFC-134a
Enfriador de aceite
enfriado por refrigerante
Evaporador húmedo
Agua
fría
Agua de
refrigeración
Cuchillas 3D
Condensador refrigerado por agua
Válvula de expansión automática
(Control de sobrecalentado)
Fig. 8.8.2 Turbo compresor
Fig. 8.8.1 Aspirador del turbo
compresor
Los compresores centrífugos también son
conocidos como turbo compresores. Los turbo
compresores usan fuerzas centrífugas. Ellos
aspiran al gas refrigerante en un aspirador de
rápida rotación para comprimir al gas. Despuéa
que el gas refrigerante es aspirado dentro del
aspirador, la diferencia de velocidad circular entre
los diámetros interior y exterior del aspirador,
fuerza al gas hacia el exterior por fuerza
centrífuga, en dónde la mayor velocidad le
imparte una energía cinética al gas.
Cuando el gas refrigerante pasa posteriormente
por el difusor, la energía cinética aumenta la
presión del refrigerante.
Los compresores turbo de multi etapa también se
producen, debido a la dificultad de lograr una
relación de alta presión en una etapa simple.
Dado que el coeficiente de rendimiento
disminuye en los compresores turbo pequeños,
los mismos son usados en aplicaciones de
acondicionameinto de aire de más de 100 USRT.
El aspirador se compone de un anillo, disco
principal, cuchillas, y carcaza conectora a un eje
giratorio.
La Fig 8.8.2 muestra un compresor turbo de etapa
simple.
El refrigerante es aspirado a través de la aleta
gúia hacia adentro del aspirador. La presión
entonces aumenta en el difusor antes que el
refrigerante sea descargado.
El aspirador gira a alta velocidad a través de
engranajes en escalera (multiplicadores) conectados
al eje del motor.
Los refrigeradores turbo son fabricados en tamaños
extremadamente grandes, hasta clase de 6000
USRT.
8.8.1 Otros compresores
Dado que comprimir un gas refrigerante
simplemente implica encerrar al gas refrigerante
dentro de un envase y luego disminuir el volumen
del envase, se conducen investigaciones en una
variedad de futuros compresores. Por ejemplo, los
compresores ultrasónicos son posibles dado que el
sonido es una simple compresión de ondas de aire.
Otros tipos usan un movimiento pendular en lugar
del movimiento de rotación para cambiar el
volumen y pueden ser alimentados por un motor a
gas o a vapor.
93
8.9 Rendimiento del Compresor
La eficiencia del compresor es otro factor. La
potencia real del eje del compresor (W) se calcula a
partir de la eficiencia de compresión cuando se
comprime al refrigerante y la eficiencia mecánica,
incluyendo la fricción de los rodamientos.
El rendimiento del compresor es expresado en
términos de rendimiento de refrigeración. El
refrigerante comprimido en el compresor tiene
propiedades determinadas por el tipo de refrigerante,
la presión de entrada y la temperatura. Por lo tanto,
las condiciones de prueba son expresadas juntas con
el rendimiento del compresor.
Un ejemplo de condiciones de prueba para un
compresor rotativo para un acondicionador de aire
es el dado abajo.
Refrigerante R410A
Temeperatura de condensación:
Temperatura de evaporación:
Temperatura de entrada de gas:
Temperatura antes de la válvula
de expansión:
W=
Wth es la potencia teórica, determinada
multiplicando el volumen de refrigerante circulante
por la diferencia de entalpía.
ηi es la eficiencia de comrpresión y ηm es la
i
eficiencia mecánica. Por lo tanto, la temperatura
real de descarga es mayor que la temeperatura de
descarga en el diagrama teórico p-h.
52,0ºC
5,0ºC
15ºC
47ºC
8.9.1 Desplazamiento del pistón
Las condiciones de operación de un compresor
generalmente difieren de las condiciones de prueba
del compresor.
Consecuentemente, el tamaño de un compresor de
reemplazo positivo es normalmente expresado como
el desplazamiento de pistón. (Volumen de golpe).
Por ejemplo, el volumen calculado de refrigerante
desplazado por hora se expresa en m3/h o como
desplazamiento por rotación (cm3/rev).
8.9.2 Relación entre Refrigerante
y Rendimiento
Como hemos aprendido en las generalidades de la
refrigeración, verá que cada refrigerante tiene
diferentes propiedades (calor latente) y logrará
diferentes rendimientos de refrigeración en el
mismo compresor. Como se muestra en la Fig. 8.2.1,
el refrigerante puede no llena el volumen total de
golpe debido al refrigerante que permanece dentro
del cilindro del compresor y que se expande al
comienzo de la fase de ingreso. El refrigerante sólo
puede ser aspirado dentro del compresor después de
que caiga la presión.
V = ηv ⋅
V :
ηv :
Vth :
Wth
.................................................... (2)
ηi ⋅ ηm
Vth ....................................................... (1)
Desplazamiento real del pistón
Eficiencia volumétrica
Desplazamiento teórico del pistón
Esta V representa el volumen circulante actual de
refrigerante. Naturalmente, el rendimiento de
refrigeración varía de acuerdo a las propiedades del
gas refrigerante.
94
9. Condensador
9.2 Energía Térmica de
Condensación y su Transferencia
El condensador enfría y licúa (condensa) al gas
refrigerante descargado del compresor de alta
temperatura y alta presión.
La cantidad de energía térmica que debe ser
eliminada del refrigerante en el condensador es
equivalente a la suma de la cantidad de calor
absorbido en el evaporador más el trabajo de
compresión aplicado al refrigerante por el
compresor.
Φk = Φo + W ................................................... (1)
Φk : Energía térmica eliminada en el condensador (W)
Φo : Rendimiento de refrigeración (W)
W : Potencia del compresor (W)
En los condensadores refrigerados por agua o aire, la
energía sostenida por el refrigerante disminuye (el
refrigerante se licua, cambia de fase) y la
temperatura del medio enfriador (aire o agua)
aumenta. Esta relación se describe por la siguiente
ecuación:
Φk = c ⋅ qm ? (tw2 − tw1) .................................... (2)
Φk : Calor latente de condensación (W)
c : Calor específico del medio enfriador
J/(kg • K)
qm : Tasa de flujo del medio enfriador kg/s
tw2 : Temperatura de salida del medio enfriador ºC
tw1 : Temperatura de entrada del medio enfriador ºC
Cuando el calor es removido del gas refrigerante
de alta temperatura y presión, el refrigerante
cambia de fase desde gas a líquido.
Substancias relativamente baratas son usadas
generalmente para remover el calor, tales como
agua, aire o agua de mar.
Si se utiliza agua, el sistema es refrigerado por
agua, si se usa aire, el sistema es refrigerado por
aire.
El aire exterior es generalmente usado para la
condensación en los acondicionadores de aire
domésticos, por lo que son típicamente fabricados
como acondicionadores de aire refrigerados por
aire con condensador refrigerado por aire.
9.1 Rol del Condensador
Una unidad enfriadora era convencionalmente una
máquina que trabajaba para proveer refrigeración.
Básicamente, opera usando la acción de
evaporación de un refrigerante para enfriar
comidas, o enfriar el aire para acondicionamiento
de aire, por ejemplo. La acción de evaporación es
suficiente para proveer refrigeración, no es
esencial un ciclo de refrigeración. En el ciclo de
refrigeración, el refrigerante evaporado es
relicuado para lograr una acción refrigerante
contínua. El condensador es el equipo que relicua
al refrigerante. Recientemente, este calor de
condensación ha sido aprovechado para
calefacción. Tales unidades se conocen como
"bómba de calor".
95
Temperatura de condensación
(constante)
Esta ecuación expresa los principios básicos del
intercambio de calor.
Por ejemplo, dado que el área del intercambiador
de calor del condensador generalmente permanece
sin cambios, la diferencia media de temperatura
tiende a aumentar si la contaminación de las
superficies de transferencia reducen el coeficiente
general de transmisión de calor.
Como se mencionó en la sección de transferencia
de calor, obteniendo un alto coeficiente general de
transmisión de calor requiere de buenas
propiedades de transferencia de calor en todos los
puntos entre el refrigerante y el medio enfriador.
Las aletas deben estar conectadas para aumentar
el área de transferencia de calor en posiciones en
dónde el coeficiente de transferencia de calor es
bajo.
? t2
? t1
tW1
tW2
Proceso de
condensación
Fig. 9.2.1 Transferencia de calor del condensador
Como aprendimos en la sección de transferencia de
calor, el tamaño del condensador es calculado en base
al promedio de diferencia de temperatura. Se expresa
por:
Φk = K ⋅ A ⋅ ∆ tm ............................................................... (3)
Φk : Condensación de calor W
K : Coeficiente de transmisión general de calor
del compresor W/ m2 • K
A : Superficie de transferencia de calor del condensador m2
∆ tm : Diferencia media de temperatura K
Placa tubo
Salida de agua
refrigerante
Entrada de
agua refrigerante
9.3 Tipos de Condensador y
Construcción
Los condensadores son ampliamente clasificados
como refrigerados por agua o aire. Los
condensadores refrigerados por agua influyen
cuba y tubo, cuba y serpentina y tipo doble tubo.
Entrada de refrigerante
Tubo de refrigeración Cámara de agua
Tubo aletado
Cuerpo
Salida de líquido refrigerante
Fig. 9.3.1 Condensador de tubo y cuba horizontal
Vapor de
refrigerante
Dirección de flujo de agua
Salida de agua
refrigerante
Entrada de agua
refrigerante
Dirección de flujo
de refrigerante
Líquido
refrigerante
Fig. 9.3.2 Condensador de doble tubo
96
Los condensadores refrigerados por agua tienen
buenas características de transferencia de calor y
logran bajas temperaturas de condensación, aún en
verano. El agua refrigerante típicamente fluye a
una tasa de 2 a 2,5 m/s. Naturalmente, al aumentar
la tasa de flujo, se incrementa el coeficiente
general de transmisión de calor pero tiene
desventajas, incluyendo mayor corrosión y mayor
capacidad de bombeo. Un tubo aletado se utiliza
del lado del refrigerante, como se muestra en la fig
9.3.1.
Una trampa de refrigerante se provee a la salida
del líquido refrigerante, de modo que sólo pueda
salir líquido. El coeficiente de transmisión de calor
general de referencia del lado del refrigentate es
de 600 a 900 W/m2K.
Un condensador de doble tubo, como se muestra
en la Fig. 9.3.2, es utilizado en acondicionadores
de aire compactos y enfriadores.
La capacidad puede ser ajustada usando el tipo de
condensador mostrado en una configuración de
una etapa o dos etapas.
Los tubos aletados, como se muestran en el
diagrama, son usados para fluorocarbonos. La tasa
de flujo interior se establece en 0,5 a 2 m/s.
Grandes unidades no pueden ser construidas
debido a limitaciones estructurales.
Los condensadores refrigerados por aire son
enfriados por aire. La proporción de
condensadores refrigerados por aire es grande, y la
mayoría de los acondicionadores de aire
compactos son refrigerados por aire.
Si se utiliza refrigerado por aire, se requiere una
gran superficie de transferencia de calor debido al
bajo coeficiente de transferencia de calor del lado
del aire. Ademas, las temeperaturas de
condensación aumentan cuando la temperatura del
aire ambiente es mayor en verano, lo cual
disminuye el rendimiento de refrigeración y el
coeficiente de Rendimiento.
Sin embargo, los condensadores refrigerados por
aire tienen varias ventajas, tales como eliminar el
peligro de que se congele el agua de refrigeración
y son aptos para instalación en áreas con poca
calidad de agua.
Generalmente, la temperatura de condensación es
de 10ºC a 20ºC arriba de la temperatura ambiente,
correspondiendo a 50ºC a 55ºC en verano.
El control de la operación del ventilador puede
requerirse para manejar bajas temperaturas en
invierno.
Se deben tomar precauciones con la entrada y
salida de aire de un condensador refrigerado por
aire para evitar reinyectar el aire caliente de
descarga después de la condensación (ciclo corto).
Proteción
Intercambiador de calor
Ventilador impulsor
Terminal de alimentación
Fig. 9.3.3 Condensador refrigerado por aire
Intercambiador
de calor
Ventilador
exterior
(Con panel frontal y panel de servico remividos).
Fig. 9.3.4 Unidad exterior para un
acondicionador de aire compacto
Como se ha vuelto práctica normal recientemente
conectar una serie de condensadores exteriores
para acondiconadores de aire múltiples para
grandes edificios, se deben tomar adecuadas
precauciones con el flujo de aire. El coeficiente de
transferencia de calor del aire es generalmente
bajo de 10 a 100W/m2K. Este valor es 2000 a 3000
W/m2K para un condensador refrigerante, de modo
que se requiere una correspondiente gran
superficie de transferencia de calor para el aire.
97
Placa
Aleta
Separador
Aleta
Tubo
(b) Tipo placa aletada
(a) Tipo tubo aletado
Fig. 9.3.5 Intercambiadores de calor
Para mejorar el intercambio de calor con el aire,
se agregan aletas a intervalos de 2 o 3 mm para
aumentar la superficie de transferencia de calor.
Sin embargo, la contaminación por suciedad,
ruido del ventilador y muchos otros elementos
deben ser considerados durante la etapa de
diseño.
9.4 Torre de Enfriamiento
El agua calentada desde el condensador
refrigerado por agua para agua fría se introduce en
la torre de enfriamiento para reducir su
temperatura.
Muchas torres de enfriameiento son instaladas en
techos de edificios.
La construcción se muestra en la Fig. 9.4.1. Se
utiliza una bomba para circular el agua entre la
entrada de la torre de enfriamento y la salida
ubicada debajo y el condesador.
El agua es pulverizada en la parte superior e
intercambia su calor con el aire absorbido a través
de la torre de enfriamiento por el ventilador
superior.
La refrigeración ocurre debido a la evaporación de
parte del agua.
Para aumentar la cantidad de agua evaporada en la
unidad de tiempo, el agua es salpicada contra un
material resistente a la corrosión que incrementa
la superficie de contacto con el aire.
Los estándares de la industria de torres de
enfriamiento establecen la temperatura del agua
de salida a 32ºC y la diferencia de temperatura de
entrada/salida en 5ºC.
El rendimiento de las torres de refrigeración de
acondicionadores de aire se expresa en toneladas
de refrigeración.
1 ton de refrigeración = 4,53 kW
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Motor del ventilador
Unidad aspersora
Cuerpo superior de la torre
Material de embalaje
Cuerpo medio de la torre
Bandeja de embalaje
Rejillas
Material absorbente de ruido
Cuerpo inferior de la torre
Pata
Entrada de provisión automática de agua
Entrada de provisión manual de agua
Desborde
Entrada de agua de circulación
Salida de drenaje
Salida de drenaje de piso
Salida de agua de circulación
Fig. 9.4.1 Torre de enfriamiento
99
10. Evaporador
El evaporador evapora el líquido refrigerante
después de la reducción de presión en la válvula de
expansión en el gas refrigerante para extraer calor
desde la substancia que está siendo refrigerada.
El extraer calor del pescado fresco y mantenerlo a
baja temperatura mantiene su frescura.
El extraer calor del aire en una habitación puede
enfriar y mantener una baja temperatura dentro de
la habitación.
Puede hacer más que simplemente bajar la
temperatura del agua y aire. El agua comienza a
congelarse a 0ºC pero líquidos con anticongelante
agregado pueden enfriarse por debajo de los 0ºC.
Estas mezclas de líquido/anticongelante puede
usarse para una varidad de operaciones de
congelado.
Usted está probablemente familiarizado con el
evaporador comunmente usado en las unidades
acondicionadoras de aire domésticas. Un
refrigerador tambien contiene un evaporador que
mantiene el interior del refrigerador a baja
temperatura.
10.2 Calor de Evaporación y su
Transferencia
Asumiendo que la temperatura del evaporador es la
misma a la entrada y salida del refrigerante, podemos
obtener la siguiente expresión:
Φ = K ⋅ A ⋅ ∆ tm ................................................................... (1)
Φ : Rendimiento de refrigeración W
K : Coeficiente de transmisión de calor
general del evaporador W/m2·K
A : Superficie de transferencia de calor del evaporador m2
∆ tm : Diferencia media de temperatura K
Proceso de
evaporación
Temperatura
del aire
ta1
ta2
Temeperatura del refrigerante
Para el condensador, una menor superficie de
transferencia de calor es suficiente si aumenta el
coeficiente general de transferencia de calor.
Una gran superficie de transferencia de calor se
requiere si el coeficiente general de transferencia de
calor cae debido a la escarcha en la superficie del
evaporador. Dado que la superficie de transferencia
de calor no puede ser aumentada o reducida, en la
práctica, el promedio de diferencia de temeperatura
fluctua.
Si el calor de evaporación es denomiado Φ (W), las
fluctuaciones de temperatura del aire (agua) están
dadas por:
10.1 Rol del Evaporador
El evaporador transfiere calor al interior del
refrigerante para evaporar al refrigerante. La
substancia que está proveyendo este calor está
perdiendo calor.
Consecuentemente, el calor debe ser transferido
eficientemente entre el cuerpo refrigerado y el
refrigerante.
Para pasar un líquido refrigerante al estado
gaseoso, el calor latente de la evaporación, que
puede ser calculado desde la cantidad de calor
latente de 1 kg de refrigerante, debe ser
suministrado al refrigerante.
En términos del ciclo de refrigeración, esto
significa: cuanto refrigerante debe ser evaporado
para remover una cantidad determinada de calor.
Esta es la misma que la cantidad de refrigerante
que debe ser circulada en el ciclo de refrigeración.
A medida que disminuye la presión y cae la
densidad molecular del refrigerante, el volumen de
refrigerante circulado decrece, aunque esto es
dependiente de la temperatura deseada de la
substancia a refrigerar.
Si la presión cae muy abajo, puede ser imposible
remover la cantidad deseada de calor.
El evaporador debe ser ajustado para evaporar al
refrigerante a la presión exacta.
Φ = Cpa ⋅ qm (ta1 - ta2) ..................................... (2)
Cpa
qm
ta1
ta2
:
:
:
:
?
Calor específico del aire J/(kg·K)
Tasa de flujo de aire kg/s
Temperatura de entrada ºC
Temperatura de salida ºC
Esta ecuación se aplica tanto al aire como al agua.
100
Los evaporadores secos son usados en
acondicionadores de aire compactos para oficinas y
negocios.
Una gran cantidad de líquido refrigerante existe a la
entrada del evaporador pero este gradualmente lo
evapora para formar gas. El sistema es controlado
para asegurar que el refrigerante se haya evaporado
completamente para el momento en que llegue a la
salida del evaporador.
La temperatura se aumenta levemente a la salida
del evaporador para asegurar que no se absorba
líquido refrigerante dentro del compresor.
El refrigerante fluye a través de los tubos ranurados
dentro del evaporador para aumentar las
propiedades de transferencia de calor.
Se adjuntan aletas de aluminio a las superfices
exteriores de los tubos para aumentar la superficie
de transferencia de calor.
En algunos casos, se cortan rendijas en las
superficies de las aletas o se hacen aletas
corrugadas para aumentar las propiedades de
transferencia de calor
10.3 Utilizando el Calor de Evaporación
Los sistemas que utilizan el calor de evaporación
pueden ser clasificados en refrigerados por aire y
por agua.
Los sistemas que utilizan aire para refrigerar pueden
ser sistemas de expansión directa que aprovechan la
expansión de refrigerante dentro del intercambiador
de calor o sistemas indirectos que usan un
refrigerante secundario como agua o lejía.
Los sistemas de expansión directa son generalmente
usados dentro de acondicionadores de aire
compactos. Algunos productos que utilizan
refrigeración indirecta también esán disponibles
para soportar grandes longitudes de tuberías.
Las aletas están generalmente espaciadas a
intervalos de 2 mm en los evaporadores refrigerados
por aire para las aplicaciones de acondicionamiento
de aire. Sin embargo, el espaciado se aumenta entre
4 y 10 mm para operaciones de baja temperatura
para evitar la adherencia de escarcha.
Longitud de la
superficie aletada
Altura de aletoa
Ancho
de aleta
Espaciado
fino
Curva en U
tubería de entrada
Dirección
de fila
Dirección de
estado
Separación de fila
Capilar
Fig. 10.3.1 Descripción de partes de un evaporador aletado
101
11. Válvula de Expansión
El refrigerante que se licua en el condensador
durante el ciclo de refrigeración puede acumularse
en el receptor de líquido. Si no se provee una
trampa de líquido, el líquido se acumula en el
condensador y el líquido refrigerante ingresa a la
válvula de expansión.
El líquido condensado retiene una alta presión que
lo fuerza a fluir hacia la tubería conectada. La
válvula de expansión agrega la resistencia requerida
en la línea de flujo de refrigerante para pasar
exactamente la cantidad de refrigerante requerida
por el enfriador.
Esto resulta en una disminución en la presión
estática del refrigerante. Cuando la velocidad del
refrigerante se revierte a su valor previo después
que pasa a traves de la fina apertura, la presión no
recupera su valor previo.
11.2 Válvula de Expansión y
Tasa de Flujo de Refrigerante
El flujo de refrigerante en un circuito es
determinada por el balance entre las pérdidas del
sistema (resistencia al flujo) en el circuito
refrigerante y la diferencia de presión en el
refrigerante. La válvula de expansión ajusta la
resistencia al flujo para establecer el flujo
apropiado de refrigerante para el evaporador.
Por ejemplo, la relación entre la presión y la
temperatura de evaporación para el R22 es como
sigue:
Presión medida 0,49 MPa→ apróx. 5ºC
Presión medida 0,39 MPa→ apróx. 0ºC
Se utiliza una válvula de expansión o tubo capilar.
Presión
11.1 Acción y Rol de la Válvula
de Expansión
La válvula de expansión reduce la presión del
líquido refrigerante a alta presión para producir un
líquido refrigerante a baja presión.
Características del compresor
Características
del circuito
Puntos de operación de
tasa de flujo de refrigerante
Tasa de flujo de
refrigerante
Alta
presión
baja
presión
Fig. 11.1.2 Relación entre la tasa de flujo y la
presión en el circuito refrigerante
El refrigerante generalmente fluye dentro de la
válvula de expansión en un estado subenfriado. A
medida que el refrigerante fluye a través de la
válvula de expansión, la presión del líquido
subenfriado cae y el líquido comienza a
evaporarse cuando alcanza la línea de líquido
saturado.
A medida que aumenta el volumen cuando el
líquido se evapora, la resistencia al flujo en un
capilar difiere para un líquido y para un gas.
En el acondicionador de aire que usa capilares
como válvula de expansión, el flujo se controla
controlando el subenfriado.
Fig. 11.1.1 Apertura de la válvula de expansión
Cuando la presión cae por debajo de la presión de
líquido saturado, parte del refrigerante se evapora y
el refrigerante deja la válvula de expansión en un
estado mezcla de gas/líquido.
El refrigerante roba energía calórica de si mismo
durante la evaporación, de modo que la temperatura
del refrigerante cae.
La presión del refrigerante a alta presión es
reducida pasándolo a través de una fina apertura,
como se muestra en la Fig. 11.1.1. La velocidad de
flujo del refirgerante aumenta para pasar por la fina
apertura.
102
11.3 Válvula de Expansión
Terostática Automática
Las válvulas de expansión termostáticas están
clasificadas como de ecualización interna y
ecualización externa de acuerdo a dónde detectan
la presión de evaporación del refrigerante en el
evaporador detectando la presión a la entrada del
evaporador o a su salida.
Una válvula de expansión termostática ecualizada
internamente toma la referencia de presión para
sobrecalentar a la entrada del evaporador (despues
de pasar a través de la válvula de expansión).
Consecuentemente, el grado de sobrecalentamiento
puede ser muy alto si la pérdida de presión en el
evaporador es grande.
Una válvula de expansión termostática de
ecualización externa toma la referencia de presión
desde la salida del evaporador mediante un tubo
ecualizador de presión.
Por lo tanto, el grado de sobrecalentamiento no
puede volverse muy alto, como lo puede con la
válvula de ecualización interna.
Consecuentemente, generalmente es más seguro
seleccionar una válvula de expasnión termostática
de ecualización externa.
La válvula de expansión ajusta la cantidad de
refrigerante que ingresa al evaporador de acuerdo a
la carga de refrigeración. Las válvulas de
expansión con diferentes mecanismos de ajuste
incluyen la válvula de expansión manual, la
válvula de expansión de presión constante
automática, la válvula de expansión termostática
automática y la válvula de expansión de flote
automático. La más comunmente usada fuera de
ellas es la válvula de expansión termostática
automática.
La válvula de expansión termostática automática
detecta la temperatura y presión del refrigerante a
la salida del evaporador y automáticamente abre o
cierra de acuerdo a la carga para mantener el
subenfriado del gas refrigerante en
aproximadamente 5K.
El grado de apertura de la válvula de expansión
termostática automática está determinado por el
estado de equilibrio entre tres fuerzas, como se
muestra en la Fig. 11.3.1.
11.4 Válvula de Expansión
Lineal Electrónica
Bulbo de sensado termostático
(Detecta la temperatura de salida del evaporador)
Diafragma
p1
Válvula
p2
Al
evaporador
Filtro
Desde el
receptor de líquido
En unidades en donde la capacidad del compresor
cambia, tales como acondicionadores de aire
inverter, se utiliza una válvula de expansión lineal
electróncia para controlar eficientemente la tasa de
flujo de refrigerante de acuerdo a las fluctuaciones
de carga.
11.5 Tubo Capilar
p3
Un tubo capilar es usado generalmente en lugar de
una válvula de expansión lineal en las unidades
pequeñas. Este es un tubo fino con un diámetro
interior entre aproximadamente 0,6 mm a 4 mm y
la longitud desd 0,2 mm a 2 m. El efecto de control
ocurre debido a la pérdida de presión cuando el
refrigerante fluye por el tubo.
El tubo capilar es un simple tubo de cobre que está
estructurado muy simplemente y no se puede
romper.
También es muy económico. Sin embargo, el
diámetro y la longitud del tubo capilar debe ser
determinada experimentalmente para acomodar la
capacidad, condiciones de operación y contrenido
de refrigerante de la unidad enfriadora. Un tubo
capilar no es adecuado para unidades que requieran
que se efectúe la conexión de las tuberías de
refrigerante en el lugar de instalación.
Resorte
Tornillo de
ajuste de
presión
Fig 11.3.1 Válvula de expansión termostática
de ecualización interna
Fuerza de apertura de la válvula:
Fuerza debido a presión del gas sellado
adentro del bulbo de sensado termostático
actuando en el diafragma (P1)
Fuerza de cerrado de la válvula:
Fuerza debido a la presión de evaporación
del refrigerante en el evaporador (P2)
Fuerza de cerrado de la válvula:
Fuerza de resorte de ajuste de
sobrecalentado (P3)
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