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ODRIZA FLUVIALDiagnstico energtico del sistema de aire

acondicionado y refrigeracin de un buque

tipo nodriza fuvial

Este artculo presenta la evaluacin energtica del sistema de aire acondicionado y de refrigeracin deun buque patrullero de ro tipo Nodriza Fluvial construido por Cotecmar (Corporacin de Ciencia yecnologa para el Desarrollo de la Industria Naval, Martima y Fluvial) para la Armada colombiana. Elclculo fue desarrollado aplicando la metodologa propuesta por la Sociedad de Arquitectos Navales eIngenieros Marinos (Sname) complementada con la metodologa de las curvas del serpentn de la raneCorporation. Se propusieron equipos basados en los resultados obtenidos, dado que al compararse con losinstalados en el buque, mostraron ahorros energticos y econmicos.

Palabras clave: Curvas del serpentn, ahorro energtico, carga trmica, factor de calor sensible.

Tis article presents the energy evaluation of the air conditioning and refrigeration system of a riverine patrol

and supply ship built by Cotecmar (Science and echnology Corporation for the Development of Naval,Maritime and Riverine Industries) for the Colombian Navy. Te calculation was developed with the Societyof Naval Architects and Marine Engineers (Sname) methodology; this was complemented with the raneCorporation methodology: coil curves. Equipment based in the obtained results were proposed, these werecompared with the units installed in the ship, determining energy and economic savings when these are used.

Key Words: Energetic Diagnosis, Coil Curves, Energy Savings, Termal Charges, Sensible Heat Factor.

Carlos M. RodrguezaRicardo Lugo Villalbab

Juan G. Fajardoc

Bienvenido Sarrad

Ao 1 - n. 1 - vol. 1 - (27-41) julio de 2007 - Cartagena (Colombia) 27

Resumen

Abstract

Fecha de recepcin: 12 de marzo de 2007Fecha de aceptacin: 2 de mayo de 2007

a, c, d Universidad ecnolgica de Bolvar, Facultad de IngenierabCorporacin de Ciencia y ecnologa para el desarrollo de la Industria Naval, Martima y FluvialbAsesor y Jefe del Departamento de Maquinaria y Propulsin de la Corporacin de Ciencia y ecnologa para el desarrollo de la IndustriaNaval, Martima y Fluvial.c y dAsesor y di rector de la Facultad de Ingeniera de la Univers idad ecnolgica de Bolvar respectivamente.

Autor corresponsa l: cmrodrig [email protected]

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Introduccin

La preservacin y buen uso de los recursosrenovables y no renovables ha sido desde siempre

uno de los principales aspectos que ha preocupadoa la humanidad. El principio de aprovechar lomximo con el uso de lo mnimo ha tomadouna importancia incalculable a tal punto que enlas ltimas dcadas palabras como optimiza-cin, eficiencia, uso racional y ahorro, son casiobligatorias dentro del universo de la ingeniera.De todos los contextos que nos circundan, el temaenergtico es quizs el que mayor importancia haadquirido dentro de esa cultura de conservacin yconcienciacin.

En consecuencia, se identific la necesidad deevaluar el diseo de los sistemas de aire acon-dicionado y refrigeracin instalados en un bu-que tipo Nodriza Fluvial mediante el clculocomprobatorio de la carga trmica en dichossistemas, y la seleccin de los equipos requeridosbasada en los resultados obtenidos. El objetivo eradeterminar potenciales ahorros energticos, quese tradujeran en una importante disminucin delconsumo de combustible y por ende en ahorroseconmicos; debido al significativo impacto quetiene este rubro en la operacin del buque, losaltos costos de este energtico en la actualidad, elincremento peridico en su precio, la dificultadde abastecimiento de hidrocarburos en las zonas

geogrficas de operacin del buque y las polticasinternacionales para la reduccin de emisionescontaminantes a la atmsfera.

Sistemas de climatizacin en buques

Un sistema de aire acondicionado en un buque debeproporcionar un ambiente en el cual el personalpueda vivir y trabajar sin estrs trmico; aumentarla eficiencia de la tripulacin, la confiabilidadde equipos electrnicos y similares, y prevenir elrpido deterioro de armamento especial a bordo debuques de guerra.

Los factores que deben ser considerados en eldiseo de un sistema de aire acondicionado enbuques son:

Funcionar apropiadamente en las condicionesde balanceo y cabeceo del buque.Resistir los efectos corrosivos del aire de mar yel agua salada.

Estar diseado para operacin ininterrumpidadurante el viaje.Ser fcilmente transportables partes de repuestode todos los elementos esenciales, y carga extra

de refrigerante debido a las dificultades queimplica prestar servicio a los buques en suruta.Operar sin ruidos o vibracin inaceptables, ycumplir con los criterios de niveles de ruidorequeridos por las especificaciones de la cons-truccin naval.Ocupar el mnimo de espacio acorde con loscostos y la confiabilidad. Los pesos debenmantenerse al mnimo.Ser suficientemente flexible para compensarlos cambios climticos de tal suerte que elbuque pueda pasar a travs de uno o ms cicloscompletos de estaciones climticas en un soloviaje.Permitir la asuncin de una carga por in-filtracin para el calentamiento de los cuartosdel tren de timoneo y el puente, exigencias quese hacen en ocasiones para buques mercantes,aunque la infiltracin a travs de puertas haciael exterior generalmente no se tiene en cuenta.

Finalmente, al respecto hay que decir que la cargasolar debe considerarse en todas las superficiesexpuestas sobre la lnea de agua. Si un comparti-miento tiene ms de una superficie expuesta, seutiliza aquella con la mayor carga solar, y los otros

extremos expuestos se calculan a la temperaturaexterior del ambiente.

Metodologa de clculo de carga trmicadel sistema de aire acondic ionado en bu-ques

Existen agencias reguladoras para la industriamartima que se encargan de establecer losparmetros de diseo y construccin de sistemasde acondicionamiento de aire que debe cumplirun buque. Aunque para el caso particular debuques navales no es necesario cumplir con tales

requerimientos, Cotecmar procura en sus diseoscumplir con dichas regulaciones. Una de lasagencias encargadas para la regulacin de diseo yconstruccin de sistemas de acondicionamiento deaire en buques es laAmerican Building of Shipping(ABS).

En el siguiente cuadro se dan valores recomendadospor la ABS para confort en sistemas de aire

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Ciencia & ecnologa de Buques - ISSN 1909 8642

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acondicionado de buques y que se tomaron comoreferencia para los clculos realizados.

Cuadro 1. Valores recomendados por la ABS para

confort en sistemas de aire acondicionado de buques

tem Requerimientos

Temperatura del

aire

Rango de Temperatura del aire

entre 18C (64F) y 26,5

(80F)

Humedad relativa Rango desde un mnimo de 30%

hasta un mximo de 70%

Velocidad del aire No debe exceder los 30 m/minuto

o 100 ft/minuto (0,5 m/s 1,7

ft/s) en el centro del espacio

Fuente:ABS(2002).

Los valores, ecuaciones y procedimientos emplea-dos en el clculo de la carga trmica y de loscomponentes del sistema de aire acondicionadose basaron en la metodologa propuesta por laSociedad de Arquitectos Navales e IngenierosMarinos (Sname por sus siglas en ingls) (1980),complementados con los valores recomendadospor la Naval de los Estados Unidos (Sname, 1992)para el diseo de sistemas de a ire acondicionado enbuques navales.

Clculo de la carga trmica

La primera fase en el diseo de sistemas aireacondicionado es establecer los requerimientos decarga de enfriamiento y de ventilacin para cadaespacio individual del buque.

Los componentes de la carga trmica incluyen lascargas por transmisin, por radicacin solar, poriluminacin, por equipos y por infiltracin.

La carga por transmisin qtse determina mediante

la ecuacin:

Los valores de U se tomaron de Sname (1963)para las superficies aisladas con poliuretano y seutilizaron los datos suministrados por el fabricantepara los mamparos divisorios con ncleo de lana deroca. El se toma de los datos recomendados enSname(1980).

La carga por transmisin con radicacin solar secalcula usando una variacin de la ecuacin (1):

La ganancia de calor por transmisin con radiacinsolar para vidrios se calcula mediante:

La carga por iluminacin se calcula mediante la si-guiente ecuacin:

B.F.es el factor de resistencia (equivale a 1,25 parabuques mercantes) y 3,41 es el factor de conversinde Vatios a Btu/h.

La carga por equipos puede ser calculada cuando seconocen o estiman los datos de disipacin de calormediante las ecuaciones (5) y (6):

donde U.F. es el factor de uso que aparece en elCuadro 2.

Cuadro 2. Factores de uso recomendados para equipos

tpicos en aplicaciones marinasEspacio

Factor de uso(U.F.)

Cuarto de equipo de propulsin 0,5

Cuarto de computador 1,0

Cuarto de control del motor 1,0

Cuartos de ventiladores 1,0

Cocina 0,5

Cuarto de equipo de giro 0,5

Despensa 0,5

Cuarto de equipos de radar 0,5

Cuarto de radio 0,3

Espacios restantes 0,3

Fuente: Sname(1980).

Para los comedores, se aaden 30 Btu/h por calorsensible y latente por persona comiendo como unrequerimiento para la disipacin de calor de losalimentos.

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Diagnstico energtico del sistema de aire acondicionado y refrigeracin de un buque

Ao 1 - n. 1 - vol. 1 - (27-41) julio de 2007 - Cartagena (Colombia)

qt= UxAxT (1)

qrs= UxAxTe (2)

qrv

= GsfxA (3)

qil=I.W. + F.W. x B.F. x 3,41 (4)

qs= q

sdxU.F. xH.F. (5)

ql= q

ldxU.F. (6)

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La ganancia de calor por persona en los diferentescompartimientos de un buque de la marina seobtiene de Sname(1980) segn el tipo de espacio yla temperatura interior.

La carga por infiltracin impone una carga de calorsensible y una latente. En el clculo no se tuvo encuenta en vista de que todas las puertas permane-cen cerradas durante la operacin normal del bu-que.

Componentes de la carga trmica que impo-

ne el sistema

Los componentes de carga trmica generados porlos equipos y el funcionamiento propio del siste-ma de acondicionamiento de aire son: la carga dellocal, la carga por el ventilador, las debidas a losductos y la carga por aire exterior.

La carga del local corresponde a los diferentescomponentes de la carga trmica previamenteexplicados.

La carga por ventilador es el calor sensible aadidoal aire cuando pasa a travs de un ventilador yno es diferente de la carga de calor sensible deequipos descrita anteriormente, excepto que porconveniencia se expresa preferiblemente en trminosdel aumento de temperatura del aire a travs delventilador antes que como un flujo de calor. Para el

caso del presente estudio se asumi como una cargapor equipos, ya que los ventiladores de los fan-coilestn ubicados dentro del espacio acondicionado.

Las cargas del sistema debidas a los ductos de su-ministro de aire y por trayectoria de retorno no seconsideraron para el clculo, debido a que el sis-tema no presenta conductos de aire; solo existenductos para el suministro de aire exterior requeridopara renovacin.

Para la carga por aire exterior se requieren dos cl-culos. Uno basado en la ocupacin del espacio, y elotro en la tasa de cambio de aire. La mayor de estas

dos cantidades ser la mnima cantidad requeridade aire exterior.

El clculo por nivel de ocupacin se realiza usandola siguiente ecuacin:

donde Qes la cantidad de aire exterior en cfm, Of es

la tasa de aire exterior mnima en cfmpor persona yPes el nmero de ocupantes del espacio.

Los requerimientos de aire exterior basados en latasa de cambio se calculan usando la ecuacin:

donde Ves el volumen del cuarto en ft3y R/Ces latasa de cambio de aire en minutos por cambio.

Metodologa de clculo de carga trmicapara los sistemas de refrigeracin (cuar-tos fros)

Los criterios que se siguieron para el clculo de lacarga trmica de los sistemas de refrigeracin sonlos que recomienda la Sname(1992) los cuales fue-ron complementados con datos recomendados porla Sociedad Americana de Ingenieros en Calefac-cin, Refrigeracin y Aire Acondicionado (Ashraepor sus siglas en ingls) para los anlisis de sistemasde refrigeracin (Ashrae, 1994).

La carga de calor de refrigeracin para buques na-vales se basa en espacios de congelacin desde 0 a-10Fy espacios de enfriamiento a 33F. Las tem-peraturas sern de 140Fpara superficies expuestasal sol, 120F para espacios adyacentes a maqui-

narias, 100Fpara otros espacios no refrigerados,90Fpara superficies expuestas al agua de mar, y80F para espacios acondicionados, a menos quesean citadas otras temperaturas de diseo en las es-pecificaciones particulares del buque.

Las cargas por refrigeracin se determinan parados condiciones, operacin normal ypulldown. Lacondicin normal es el periodo durante el cual lastemperaturas de diseo se mantienen en el sistema.La condicin depulldownes el periodo durante elcual la temperatura del producto que se introduceen el espacio es reducida hasta la temperatura dediseo.

Las prdidas de calor se desprecian en los clculossi la temperatura de un espacio adyacente al queest siendo diseado es ms baja. Los componentesde la carga de calor para los espacios refrigeradosincluyen las cargas: por transmisin, por infiltra-cin, por ventilacin, por productos y por equipos.

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Q= Of xP (7)

Q= V / (R/C) (8)

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Los valores de Uusados para los clculos de la car-ga por transmisin en espacios refrigerados parabuques navales se encuentran en Sname, (1992,cap. 21).

La carga por infiltracin es la ganancia de calor atravs de las rendijas y la entrada de aire cuando seabren las puertas. Para muchos diseos la tempera-tura del aire de entrada se toma en 100Fcon 60%de humedad relativa cuando el aire es de espaciosno refrigerados. Si el aire es de espacios refrigera-dos, la temperatura del aire que se tome ser de50Fy 80% de humedad relativa.

Se debe considerar una carga por ventilacinpara los espacios de almacenamiento de frutas yvegetales. Esto consiste de una ganancia de calorpor la introduccin de aire exterior, lo cual serequiere para el desplazamiento del aire viciado delcompartimiento. Esta es importante solo dondeexcede la carga por infiltracin, y entonces se usaen su lugar para las condiciones de operacincalculadas.

As mismo, debe tenerse en cuenta el calor internode los productos y empaques, conocido como cargade calor por productos; adicionalmente, para cuar-tos de enfriamiento, esta tambin incluye el calorde respiracin de frutas y vegetales.

La carga de calor por equipos incluye el calor in-

troducido por los motores de los ventiladores pararecirculacin y ventilacin, los cuales generalmentetrabajan a plena velocidad solo durante las opera-ciones depulldown. Se usa a baja velocidad, gene-ralmente 50% de la mxima, durante la operacinnormal, lo que reduce la carga de calor.

Las cargas para las unidades de condensacin seseleccionan de la siguiente forma:

Para condiciones depulldown, operacin con-tinua de todas las unidades de condensacinen un sistema.Para la condicin de operacin normal, la

operacin de la unidad de condensacin no ex-cede las 18 horas por da con el comprensor enstand-byasegurado.

Component es y clculos de la carga de refri-

geracin

La capacidad de un sistema de refrigeracin debeser suficiente tanto para la condicin de pulldown

como para operacin normal. Los clculos debenser hechos para ambas condiciones con el fin dedimensionar adecuadamente los componentes derefrigeracin. Dado que generalmente los espacios

son pensados para almacenar una variedad de pro-ductos, por lo general no se requiere clculos exac-tos y puede usarse un valor promedio (Cuadro 3).

La carga de refrigeracin por transmisin Ltse cal-

cula mediante:

La carga de calor por infiltracin Lipara cada espa-

cio refrigerado se calcula mediante:

Cuadro 3. Condiciones de la carga por productos ensistemas de refrigeracin.

Espacio de almacenaje

Enfria-miento

Congela-cin

Temperatura nal, F 33 0

Temperatura mxima de

entrada, F55 15

Tiempo para reduccin de temperatura, das

Espacios refrigerados de

carga2 2

Espacios refrigerados de

carga3 5

Densidad promedio del

producto, lb/ft329,7 35,9

Calor especco promedio

del producto, Btu/lb0,85 0,40

Densidad promedio del em-

paque, Btu/lb3,20 3,64

Calor especco promediodel empaque, Btu/lb

0,65 0,65

Tasa de respiracin, Btu / 24 hr:

Condicin de entrada 3,20

Condicin nal 1,08

Fuente: Sname, (1992).

31Ao 1 - n. 1 - vol. 1 - (27-41) julio de 2007 - Cartagena (Colombia)


Lt= 24 .A . U. (t

1- t

2) (9)

Li= VCH

a (10)

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Se supone que la cantidad de aire infiltrado alespacio es funcin del tamao del espacio y es elpromedio de los cambios de aire por 24 horas.Los valores de cambio de aire para espacios dediferentes tamaos se muestran en el Grfico 1 y laganancia de calor por pies cbicos de aire que entraal espacio a diferentes temperaturas se muestra enel Grfico 2.

La carga por ventilacin Lvse calcula usando:

La carga de calor por ventilacin se usa cuando estaexcede la carga por infiltracin para la condicin deoperacin calculada. No se incluye en la carga de

pulldown. La cantidad de aire exterior se obtienetomando un tercio del volumen total del espacio.

El peso total del producto PW se determina me-diante:

donde Ac es el rea de la cubierta, h es la altura

del producto almacenado, rla relacin del volumenutilizable al volumen total y W

pes la densidad del

producto, lb/ft3, tomado del Cuadro 3.

El peso total del empaque o contenedor (CW) sedetermina con la ecuacin:

donde Wces igual a la densidad del empaque o con-

tenedor en lb/ft3.

La carga de calor interna del producto Lpse calculausando la siguiente ecuacin:

donde Cpes el calor especfico del producto, C

cel

calor especfico del empaque del producto, tp1

latemperatura del producto a la entrada del espacio ytp2

la temperatura final del producto o temperaturade diseo.

Grco 2. Ganancia de calor producida por el aire queentra al refrigerador


Las condiciones promedio que comnmente se to-man para la carga por producto y los tiempos per-mitidos para la reduccin de temperatura se mues-tran en el Cuadro 3.

ambin se incluyen las cargas por calor de respi-racin de frutas y vegetales, tanto para la condicin

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Grco 1. Cambio de aire promedio para refrigeradores por 24 horas debido a la inltraciny a la apertura de puertas.


Lv= 8VH

a(11)

PW=AchrW

p (12)

CW=AchrW

c (13)

Lp= (PW. C

p. + CW. C

c)(t

p1- t

p2) (14)

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depulldowncomo para la condicin de operacinnormal para el cuarto de enfriamiento, y estas secalculan empleando las siguientes ecuaciones:

Respiracin de preenfriamiento

Respiracin de almacenamiento

donde R1 y R

2 son las tasas de respiracin a la

temperatura de entrada y la final respectivamenteque se dan en el Cuadro 3 para aplicaciones

navales.El volumen disponible para el almacenado delos productos, basado en las instalaciones tpicasempleadas en buques navales, se muestra en elGrfico 3.

La carga por equipos normalmente es debida a losmotores elctricos de los ventiladores. En el Cuadro4 se da la ganancia de calor basada en la potenciade un motor elctrico.

Cuadro 4. Ganancia de calor por motores elctricosempleados en sistemas de refrigeracin

Potencia del mo-tor,HP

Carga por equi-po, Btu/hr-hp

1/20 a 1/8 5500

1/8 a 1/2 4250

1/2 a 3 3700

3 a 20 2900


Clculo comprobatorio y diagnsticoenergtico de los s istemas de aire acon-

dicionado y refrigeracin

El sistema de aire acondicionado instalado actual-mente en la nodriza VI es del tipo todo agua, y estconformado por una unidad marina marca Ca-rrier modelo 30 HWC 025, para refrigerante R-22,con una capacidad nominal de 19.9 toneladas derefrigeracin, la cual consta de un compresor deltipo semihermtico reciprocante multietapas (dos),un chillerpara agua dulce, un condensador del tipodel casco y tubo enfriado para agua de mar sin cos-tura con tubos de cupro niquel 90/10 y un sistemade control por microprocesador electrnico. Esta

unidad, mediante un sistema de bombeo y unared de tuberas de cobre aisladas con poliuretano,provee de agua fra a las diferentes unidades ter-minales tipofan-coil(unidad serpentn-ventilador)instaladas en los compartimientos, oficinas y de-ms espacios del buque que estn acondicionados.Cada unidad terminal tiene un termostato paraestablecer el set-pointde temperatura y posee unavlvula reguladora de caudal de agua fra que per-mite el control de la temperatura en la habitacin.Las referecias de los fan-coil instalados son marcaMultiaqua CFFZA 04 y CFFZA 06 y entregancapacidades de enfriamiento de 11.400 Btuh (1taprox.) y 17.300 Btuh (1,5taprox.).

Reclculo de la carga trmica del si stema de

aire acondicionado

Los compartimentos o espacios que cubre el siste-ma de aire acondicionado y que son evaluados en elclculo de carga trmica son:

33

Grco 3. Porcentaje del espacio refrigerado disponible para almacenamiento de productos




Rp= PW. (R

1+ R

2)/2 (15)

Ra= PW.R

2(16)

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Camarotes ECF (elemento de combate fluvial)1, 2 y 3 (camarotes empleados para el personalde combate, que realizan patrullaje en tierra).Camarotes de tripulacin 1, 2 y 3 (camarotes

empleados para el personal permanenteencargado de la operacin y navegacin delbuque).Camarote del comandante.Camarote del segundo comandante .Enfermera.Oficinas C3I y Maestra de Armas.Rancho o comedor.Puente de mando.Cuarto de radio.S.E.I. (cuarto de inteligencia).Consola de ingeniera.

Para el reclculo de la carga trmica del sistema deaire acondicionado se tom como condicin crticala hora de medioda, y las caractersticas reales delbuque. Los clculos se realizan segn las ecuacio-nes contenidas en el numeral 3 y se tuvieron encuenta las siguientes recomendaciones:

La temperatura de diseo de aire exterior sesupone ser 95 Fde bulbo seco con 77% HRsegn las condiciones de las zonas en dondeopera el buque; estos valores son promediosteniendo en cuenta que entre una y otra zonahay variaciones de temperatura y humedad.La temperatura de diseo de aire interior

se supone ser de 80F y 55% de HR segn

propone Sname (1980) para buques navales,este valor est dentro del rango de temperaturaspropuesto por la ABS para confort de laspersonas en un buque.

Para los valores de temperatura de los pasillos,los cuales son acondicionados indirectamente,se emple un aumento de 0,5F, como se reco-mienda para buques navales (Sname, 1980).Las reas de cada espacio fueron medidas encampo para corregir los valores que se habanempleado en el clculo previo.La carga por iluminacin se evalu teniendoen cuenta los datos de placa tomados de lasluces instaladas en cada espacio.Fueron estimados los valores de disipacin decalor empleados en la carga por equipos.La carga por persona se tom a partir dedatos proporcionados para buques navalesque aparecen en el Grfico 1 de acuerdo conel tipo de espacio. Para el clculo se consideruna ocupacin completa en los espacios deoficinas, comedor y puente; para los camarotesse consider el nivel de ocupacin segnel nmero de camas disponible pues estosgeneralmente son ocupados en su totalidad.

Fue necesario evaluar la carga trmica teniendo encuenta una segunda condicin (horas nocturnas)para los espacios en donde no se consider lacarga por personas en el primer clculo; esto conla finalidad de establecer la capacidad mxima de

enfriamiento requerida all.

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Cuadro 5. Resumen de la carga trmica

Datos del espacio Condicin crtica C1Condiciones para camarotes

ocupados de noche C2 Salidas de airebasadas en CFM

C1CFM

C2Espacio Estacin

BTU/hr.SHR

BTU/hr.SHR

Sens. Lat. Total Sens. Lat. Total R/C Pers. Ext.

Camarote ECF 3 14-17 B 4373 2025 6398 0,68 162

Camarote tripulacin 3 14-17 E 3426 0 3426 1,00 4312 2700 7012 0,61 43 127 160

Camarote tripulacin 2 17-20 B 3401 0 3401 1,00 3659 2025 5684 0,64 37 126 136

Camarote tripulacin 1 17-20 E 2575 0 2575 1,00 2501 1350 3851 0,65 35 95 93

Camarote ECF 2 20-24 B 9269 3375 12644 0,73 49 343

Camarote ECF 1 20-24 E 9269 3375 12655 0,73 49 343

Consola ingeniera 7-9 B 2684 700 3384 0,79 35 99

Rancho 11-17 E 10718 8395 19113 0,56 345 397

Ocina 1-19-1-L 17-19 E 1403 700 2103 0,67 35 52

C31 19-21 E 1491 700 2191 0,68 35 55

Camarote segundo

comandante21-24 B 3098 0 3098 1,00 2043 670 2713 0,75 53 115 76

Camarotecomandante

21-24 B 2948 0 2948 1,00 1893 670 2563 0,74 53 109 70

Enfermera puente 17-21 B 2059 0 3098 0,66 2336 1340 3676 0,64 53 76 87

Puente 17-21 B 16097 700 16797 0,96 84 596

S.E.I.T. 18-21 B 1817 700 2517 0,72 35 67

Cuarto radio 18-21 E 2420 700 3150 0,78 35 91

Total 77080 21370 99500 0,77 Total 297 655 159 2855Valores empleados en el clculo global del

equipo

Total aire exterior 1111Aire total estimado 2855

Fuente: Resultado de la investigacin.

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Para la determinacin estimada del caudal de aireQ requerido en cfm, en cada uno de los espaciosque se van a acondicionar, se emple la ecuacin:

siendo qse el calor sensible del espacio y t el

aumento de temperatura permisible.

Para este estudio se emple un diferencial detemperatura promedio de 25F segn recomiendala Sname. Este diferencial solo es empleado paradeterminar el porcentaje de aire exterior que senecesita para renovacin, el cual es requerido conel fin de establecer la capacidad total del equipo.Para calcular la capacidad total del sistema sedetermina el diferencial de temperatura mediante lametodologa de la ranelas curvas del serpentn,tal y como se explica posteriormente.

Luego de haber realizado los clculos de carga paracada uno de los recintos de inters, se resume todala informacin en el formato general del Cuadro5 y se emplean para determinar la capacidaden toneladas, requeridas para garantizar lascondiciones de confort.

Determinacin de las capacidades de los

equipos

Para la determinacin de la capacidad total

en toneladas de refrigeracin del equipo deenfriamiento y la capacidad de enfriamiento yflujo de aire de suministro en cfmde las unidadesterminales tipo fan-coil requeridas para cadaespacio acondicionado, se emple la metodologapropuesta por la rane Corporation basada en lascurvas del serpentn de enfriamiento (coil curves)que se muestran en el Grfico 5; estas representanlos cambios en las temperaturas de bulbo secoy bulbo hmedo cuando el aire pasa a travs deun serpentn de enfriamiento tpico y describenaproximadamente el desempeo del serpentn.El procedimiento recomendado por la rane sedescribe a continuacin:

eniendo los valores en cfm de aire exterior yde aire recirculado requeridos por el sistemadel Cuadro 5, se determina el porcentaje querepresenta cada uno del total de aire. A partir deeste valor se determina la temperatura de bulboseco de la mezcla, multiplicando la temperatura debulbo seco de cada una de las condiciones de airepor su porcentaje correspondiente y sumando los

resultados. En la carta psicromtrica se unen lospuntos de la condicin del aire recirculado y delexterior mediante una lnea recta y se interceptancon el valor de bulbo seco determinado en el paso

anterior, para establecer las condiciones del airea la entrada (mezcla de aire). al condicin esaire a 85.85Fde bulbo seco y 75,95Fde bulbohmedo.

Basado en el resumen de clculo de carga trmica(Cuadro 5) se determina la relacin de calor sensibleSHR= 0,77 (calor sensible entre calor total) y coneste valor se traza la lnea de referencia del SHR delsistema cruzando el punto de referencia ubicado a78Fde bulbo seco y 65Fde bulbo hmedo. Setraza la lnea del SHR para la condicin de 80FBS y 55% HR trazando una lnea paralela a la dereferencia del SHR.

Siguiendo la curva del serpentn ms cercana a lacondicin del aire de entrada (mezcla de aire) comogua, se traza desde este punto la curva del serpentnhasta que se intercepte con la lnea del SHR. Estepunto es la condicin del aire de suministro delsistema y el valor del mismo que se determin esde 60,16FBS y 59,4 F BH. En el Grfico 4 semuestra en la carta psicromtrica el proceso querepresenta el sistema de aire acondicionado en lanodriza.

Conociendo la condicin del aire del espacio y la

del aire de suministro se calcula el flujo de aire desuministro en mediante la ecuacin:

Se determina mediante la carta psicromtrica lasentalpas del aire de entrada y del aire de suminisro(40.4249 Btu/lb y 26,046 Btu/lb respectivamente)y empleando la ecuacin (19) se calcula la capacidadde enfriamiento en Btu/hr haciendo uso del flujode aire de suministro determinado con la ecuacin(18).

La capacidad determinada fue de 179.029 Btu/hrque equivale a 14,2 R, con un factor de seguridadde 5% para suplir cualquier carga adicional. Lacapacidad final requerida para el sistema de aireacondicionado fue de 15,66 toneladas de refrige-racin y se seleccion una unidad que suministra15,8.



Qr= qse/ (1,08 . t) (17)

Cfm= Qs/ 1,085 . (Tbsesp

- Tbssum

) (18)

CT = 4,5 xCfmx (h1- h

2) (19)

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Diagnstico y ahorro energtico del sistema

de aire acondicionado

A partir de los resultados obtenidos en la seccinanterior se propone un equipo de menor capacidad

y se realiza un anlisis comparativo con el equipoinstalado actualmente en el buque. En el Cuadro6 se resumen los resultados obtenidos incluyendolos ahorros.

Cuadro 6. Comparativo del chiller instalado yel propuesto

tem Instalado Propuesto

Marca del equipo Carrier

Referencia del equipo30 HWC

025

30 HWC

018

Capacidad nominal (TR) 19,9 15,8

Reduccin de capacidad (%) 20,6

Potencia consumida (kW) 16,2 13,2

Reduccin de consumo (kW) 3

Reduccin de potencia con-

sumida (%)18,5

Ahorro consumo diario (kWh/

da). Operando 24 h/da72

Ahorro anual (kWh/ao).

Disponibilidad 90% 7884

h/ao

22652

Ahorro por operacin ($/ao) 8421.531

Ahorro por inversin inicial

($)

4400.000

Todos los clculos se sealizan con un factor de carga al

100%

Fuente: Resultados de la investigacin.

Cuadro 7. Costo del combustible empleado en elbuque nodriza

Costo de combustible diesel

Costo delcombustible ($/gal) 4.685 1

Consumo de generador gal/h/kW 0,076 2

Costo del kW ($/kWh) 356

Precio del diesel a septiembre de 2006

Dato del fabricante para generador Caterpillar C

4.4.

1.

2.


Los costos del combustible se determinan con-siderando la condicin ms eficiente del gene-rador Caterpillar C4.4., de acuerdo con los datos

que proporciona el fabricante, segn el cual elgenerador consume 7,32 galones por hora a plenacarga (100%); lo que significa el menor consumode combustible posible. Los resultados obtenidos

se muestran en el Cuadro 7.

Cuadro 8. Determinacin de la capacidad de losfan-coil

Espacio

CapacidadFactor

de carga%

RequeridaInsta-lada

Btu/h TR TR

Camarote ECF 1 12079 1,0 0,95 106

Rancho 29180 2,1 2,39 102

Puente 36104 3,0 4,78 63

Cuarto de radio 3134 0,3 0,95 27

S.E.I.T. 2510 0,2 1,44 15

Camarote tripu-

lacin 3

7035 0,6 0,95 62


El Cuadro 8 resume la capacidad de cada una delas unidades fan-coil requeridas por cada espacio;esta capacidad fue determinada de forma similara la capacidad total del equipo; los resultados soncomparados con la capacidad real instalada, paraevaluar a qu porcentaje de su capacidad nominaltrabajan las unidades actuales.

Clculo comprobatorio y diagnsticoenergtico de los sistemas de refrigera-cin

El sistema frigorfico consta de dos unidades con-densadoras marca Russell de la serie RW con re-ferencia RWD500L22 para baja temperatura concapacidad de 31.000 Btu/h a una temperaturade succin de -10F, cada una compuesta por uncondensador de tubo y coraza enfriado por aguade mar; un compresor Copeland Discus modelo2DL3-040E-FC200 para trabajo con refrigerante22. El sistema de cuartos frigorficos incluye un

recinto a -4F (-20C) para carnes y otro a 33F(0.5C) para verduras. nicamente trabaja unaunidad para ambos cuartos, la otra funciona enstand-by.

Las unidades estn ubicadas en el cuarto de mqui-nas; desde all el refrigerante lquido es transpor-tado por tuberas aisladas con poliuretano hasta lasunidades evaporadoras de aire forzado ubicadas en

36


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Grfco4.

Procesopsicom

tricodelsistemadeaireacondicionadode

laNodrizaVI



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el cuarto de verduras y el cuarto fro. Las unida-des evaporadoras son marca Heatcraft modeloFBA080 para temperatura de evaporacin -20y -5C, la primera para el cuarto fro y la segun-

da para el cuarto de verduras cuyas capacidadesbasadas en la temperatura de evaporacin sonde 6905 Btuh (1740 Kcal/h) y 7580 Btuh (1910Kcal/h) respectivamente; cada unidad posee dosventiladores de 1580 rpm que suministran un flujode aire de 1083 cfm.

Reclculo de la carga trmica del si stema de

refrigeracin

De igual forma que para el aire acondicionado, elreclculo de la carga trmica para los cuartos frosse efectuar de acuerdo con el procedimiento re-comendado por la Sname(1992) para este tipo deaplicacin. Los resultados se resumieron en losformatos recomendados por la Snamepara el clculode la carga trmica de cuartos de congelacin(cmara para carnes, y de enfriamiento (cmarapara verduras).

Los valores de temperatura de diseo empleadospara el clculo fueron de 0 y 33Fpara el cuartode congelacin y de enfriamiento respectivamente;el Cuadro 9 resume las condiciones empleadaspara el diseo, estas son complementadas con losvalores dados para buques navales que aparecen enel Cuadro 3 y las recomendaciones dadas por la

Ashrae(1994) para el diseo de cuartos fros (pesopromedio del producto).

Cuadro 9. Condiciones para diseo del sistema derefrigeracin

Concepto F C

Temperatura exterior 95 35

Humedad relativa 77%

Supercies expuestas al sol 140 60

Supercies adyacentes a espacios

acondicionados100 37

Supercies adyacentes a espacios

acondicionados80 26

Temperatura cuarto de congelacin -4 -20

Temperatura cuarto de enfriamiento 33 0


Determinacin de la capacidad y diagnstico

energtico del sistema de refrigeracin

Despus de realizado el clculo comprobatoriodel sistema de refrigeracin de la Nodriza VI se

determin que se necesitan 0.44 toneladas derefrigeracin para llevar la carga mxima del cuartode verduras de 13C(55F) (valor de temperaturamxima de entrada al cuarto [Cuadro 3]) hasta

0,5C(33F) y 0.19 toneladas de refrigeracin paramantener la mxima carga de este cuarto en 0C(33F). Por otro lado se necesitan 0.40 toneladasde refrigeracin para llevar la carga mxima delcuarto fro de -9C (15F) hasta -20C (-4F) y0.26 toneladas de refrigeracin para mantener lamxima carga de este cuarto en -20C(-4F).

Se determin la capacidad total del equipoincluyendo el calor que transmiten los ventiladoresdel evaporador. Se evaluaron las condiciones demximo requerimiento para ambos cuartos y sedetermin que la capacidad total requerida por launidad condensadora es de 1,2 toneladas de refri-geracin.

La capacidad de la unidad actualmente instaladapara una temperatura de succin de -10F es de31.000Btu/h (2,58 R), lo que representa unaunidad trabajando al 46,5% de su capacidadnominal. Se hace la seleccin de la unidad paratrabajar en las mismas condiciones de temperatura,proponiendo una unidad de menor capacidad. Enel Cuadro 10 aparece el comparativo de la unidadinstalada y la propuesta basada en el clculo com-probatorio realizado en la seccin anterior y se danlos ahorros obtenidos por el cambio de la unidad

condensadora.Las unidades evaporadoras debern suplir 0,58toneladas de refrigeracin para el cuarto fro y 0,62toneladas para el cuarto de enfriamiento; estosvalores corresponden a la condicin mxima deoperacin de cada cuarto.

Para los mismos valores de temperatura de evapo-racin -20 y -5C, se determina la capacidad de launidad evaporadora requerida en cada cuarto y secompara con los actualmente instalados, para de-terminar si los equipos logran suplir la demandaque requiere el sistema.

Para el cuarto fro el equipo disponible comercial-mente sera de 0,58 R=6941.29 Btu/h=1749.19Kcal/h, para una temperatura de evaporacin de-20C. Al compararlo con el equipo actualmenteinstalado de 1740 Kcal/h se determina que parasuplir lo demandado por el sistema, este requierede un aumento en su capacidad de tan solo 0,52 %valor que no es significativo en vista de que en los

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clculos se emple un 10% adicional como factorde seguridad; por lo tanto la unidad actualmenteinstalada cumple con los requerimientos delsistema.

Cuadro 10. Comparativo de la unidad condensadorainstalada y propuesto para el sistema de refrigeracin.

Ahorros obtenidos

tem Instalado Propuesto

Refencia del equipo RDW500

L22

RDW300

L22

Capacidad nominal (Btu/H) 31000 22100

Capacidad nominal (TR) 2,6 1,8

Reduccin de capacidad (%) 28,7

Potencia consumida (HP) 5 3

Potencia consumida (kW) 3,68 2,21

Reduccin de consumo (kW) 1,47

Reduccin potencia consu-

mida (%)40

Ahorro consumo diario (kWh/

da). Operando 24h/da.35,3

Ahorro anual (kWh/ao). Dis-

ponibilidad 90% 7884 h/ao.11597

Ahorro por operacin ($/ao) 4129.352

Todos los clculo se realizan con factor de carga al

100%

Costo de combustible diesel

Costos del combustible ($/

gal)4.685 1

Consumo del generador gal/

h/kW0,076 2

Costo del kW (S/kWh) 356

Precio del combustible diesel a septiembre de

2006

Dato del fabricante para generador Caterpillar

C4.4

1.

2.


Para el caso del cuarto de verduras se requiere unaunidad evaporadora de 0,62 R=7442.35 Btu/h=1875.44 Kcal/h siendo la unidad instalada parauna capacidad de 0,63 R=7579,5 Btu/h=1910Kcal/h para una temperatura de evaporacin de-5C. Al igual que para el cuarto fro la unidad eva-poradora es adecuada para suplir los requerimien-tos del sistema.

Conclusiones

Es importante hacer un diagnstico de los siste-mas de aire acondicionado y de refrigeracin en los

buques, con el fin de recalcular las cargas trmicassobre la base de lo realmente instalado con elobjeto de identificar si el sistema cumple o no conlos requerimientos de desempeo para los cualesfue diseado.

La unidad de enfriamiento del sistema de aireacondicionado actualmente instalada en la NodrizaVI trabaja por debajo de su capacidad nominal. Alcambiar la unidad por una de menor tamao quecumpla con los requerimientos reales del sistema seproducir una reduccin en la capacidad de 20.6%,lo que trae consigo una disminucin del consumoenergtico, reflejado en ahorros econmicos poroperacin y por inversin inicial; este ltimoproyectado a otras embarcaciones (Nodriza VII ala X) dado que el cambio solo aplica para futurosdiseos debido a que por ser relativamente nuevoslos sistemas instalados, no es viable su sustitucin.Es necesario por ello establecer medidas orientadasa regular los consumos del equipo aprovechandoque este trabaja con un sistema por etapas (al 50y al 100%). La unidades tipo fan-coil trabajan ensu mayor parte muy por debajo de su capacidadnominal, determinndose que en algunos espaciosllegan a ocuparse hasta en un factor de carga del15%, por lo que se recomienda aprovechar que

tienen tres velocidades para regular el suministrode aire segn la demanda requerida por el espacio.

La unidad condensadora del sistema de refrigera-cin que debe suplir las condiciones mximas deoperacin del cuatro fri y el de verduras est so-brediseada, y se encuentra trabajando al 46.5%de su capacidad; reemplazar la unidad existentepor otra de menor capacidad representa un ahorroen el consumo de energa del 40%.

Las unidades evaporadoras instaladas tanto en elcuarto fro como en el de verduras, cumplen conlos requerimientos de carga de ambos espacios.

En conjunto, para los dos sistemas evaluados (aireacondicionado y refrigeracin), se pueden obtenerahorros econmicos por operacin a plena carga delos equipos por un valor aproximado de $11.518.545por ao, trabajando 7880 horas/ao las 24 horas alda el sistema de aire acondicionado y 18 horas elde refrigeracin. Adems se obtiene un ahorro por



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Listado de abreviaturas

A = rea superficial de transferencia decalor,ft2

Ac

= rea de la cubierta del cuarto derefrigeracin,ft2

B.F. = Factor de resistenciaC = Nmero de cambios de aire por 24

horasCfm = Cantidad de aire de suministro a la

salida del serpentn de enfriamiento,cfm

C = Capacidad de enfriamiento requeri-do

Cp

= Calor especfico del producto que seva a refrigerar

Cc

= Calor especfico del empaque delproducto que se va a refrigerar

F.W = Potencia en vatios de las luces fluo-rescentes

Gsf

= Factor solar del vidrio, BU/hrft2h = Altura del producto almacenadoh

1= Entalpa del aire de entrada, Btu/lb

h2

= Entalpa del aire de salida, Btu/lbH

a= Ganancia de calor por aire infiltrado,

Btu/ft3

H.F. = Factor de campanaI.W. = Potencia en vatios de las luces incan-descentes

Li

= Carga de calor por infiltracinL

p= Carga de calor interna del producto

a refrigerarL

t= Carga de refrigeracin por transmi-

sinL

v= Carga de refrigeracin por venti-

lacinO

f= asa de aire exterior mnima en cfm

por personaP = Nmero de ocupantes del espacioPW = Peso total del producto a refrigerar

Q = Cantidad de aire exterior, cfmQ

r= Caudal de aire requerido en el espa-

cio, cfmQ

s= Calor sensible total

qil

= Carga por iluminacin, Btu/hq

l= Carga latente por equipos, Btu/h

qld

= Disipacin de calor latente delequipo

40


qrs

= Carga por transmisin con radi-cacin solar, Btu/h

qs

= Carga sensible por equipos, Btu/hq

se= Calor sensible de un espacio o local

qsd

= Disipacin de calor sensible del equi-po

qt

= Carga trmica por transmisin,Btu/h

r = Relacin del volumen utilizable alvolumen total de un cuarto de refrig-eracin

Rp = Respiracin de preenfriamientoR

a= Respiracin de almacenamiento

R/C = asa de cambio de aire en minutospor cambio

R1

= asa de respiracin a la temperaturade entrada del producto

R2

= asa de respiracin a la temperaturafinal del producto

SHR = Relacin de calor sensibletp

1= emperatura del producto a refrige-

rar a la entrada del espaciotp

2= emperatura final del producto o

temperatura de diseo del cuarto de

refrigeracinbsesp

= emperatura de bulbo seco del espa-cio, F

bssum

= emperatura de bulbo seco de sumi-nistro, F

t1

= emperatura de la superficie exterior,F

t2

= emperatura de la superficie interior,F

e = Diferencia de temperatura efectiva atravs de la superficie

U = Coeficiente global de transferenciade calor, Btu/ft2F

U.F = Factor de uso del equipo

V = Volumen del espacio,ft3W

c= Densidad del empaque o contenedor,

lb/ft3W

p= Densidad del producto a refrigerar,

lb/ft3t = Diferencia de temperatura a travs de

la superficie de transferencia y/o au-mento de temperatura permisible, F

estos ahorros solo considerando cambios de la uni-dades seleccionadas para futuras construcciones delas nodrizas.

inversin inicial del sistema de aire acondiciona-do de aproximadamente $4.400.000, teniendo encuenta nicamente el chiller de agua fra. odos

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Referencias

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