Carga Termica y Diseño de Ductos

INGENIERIA MECANICA -UNT Página 1

I. RESUMEN:En este proyecto vamos a realizar el cálculo de la carga térmica de una oficina, para que tenga una temperatura de confort de 25 °C y una humedad relativa del 60 %. El cálculo de la carga térmica se incluirá el calor generado por las paredes, techos, ventanas, personas, artefactos, etc. Siguiendo el procedimiento del libro NUEVA ENCICLOPEDIA DE LA CLIMATIZACION DE ANGEL L. MIRANDA BARRERAS.

Pero no solo hallaremos la carga térmica del recinto sino que también diseñaremos los conductos para que pueda obtener el local la temperatura deseada, obviamente siguiendo los pasos del mismo libro explicando cada procedimiento realizado e invocando la tabla utilizada.

II. OBJETIVOS:

Calcular la carga térmica de una oficina la cual tiene un aforo de 7 personas. Diseñar el conducto que conllevara esa carga térmica a dicha oficina.

III. MARCO TEORICO

La materia de aire acondicionado y refrigeración, nos ayuda a comprender, como manipular las condiciones del aire como temperatura, humedad, entalpía, entropía, entre otras Con lo cual se pueda obtener un ambiente manipulado diferente o ideal al exterior según las necesidades, invierno o verano.

Para ello se necesita hacer un estudio detallado de las fuentes de calor a desalojar o el calor a agregar, en este caso para verano. La carga de calor o carga térmica; Se define como la cantidad de calor que debe ser retirada del espacio a refrigerar para reducir o mantener la temperatura deseada. En un espacio a acondicionar la carga térmica debe eliminar por medio de enfriamiento y viene siendo la suma de las cargas térmicas en las que están involucradas diferentes fuentes. Algunas de estas son;

Transmisión (muros, techos, cristales).

Infiltración.

Misceláneos (equipos, personas, iluminación).

Recordaremos algunas observaciones sencillas sobre los cambios de calor y temperatura. Si se pone al fuego un vaso con agua fría, la temperatura del agua aumentará; este calor que produce el cambio de temperatura se llama calor sensible. Se puede seguir


entregando calor hasta que el agua hierva; cuando esto ocurre no aumenta más la temperatura y el calor entregado se emplea en evaporar el agua. Este calor ya no esta presente como calor sensible, se llama calor latente (de vaporización). Este

La realización de un balance térmico tiene por objeto evaluar la carga térmico total de un local, discriminada en carga de calor sensible y carga de calor latente datos estos que nos permiten la selección del equipamiento de climatización necesario para mantener las condiciones interiores de proyecto.

Se establece en primer lugar, una posible zonificación de acuerdo a la orientación, destino y horario de utilización de los locales, dentro de cada zona se efectúa un balance para el o los locales que la componen.

Es importante tener en cuenta que las zonas pueden tener o no límites físicos. En muchos casos, esto último no sucede.

Los siguientes son los ítems a considerar como carga térmica en la realización de un balance térmico.

CARGAS TÉRMICAS DE UN LOCAL :

EXTERNAS RADIACIÓN

VIDRIOS (DIRECTA) PAREDES Y TECHOS (SOBRE SUP OPACA)

CONDUCCIÓN: VIDRIOS PAREDES Y TECHOS PISOS

AIRE EXTERIOR: INFILTRACIÓN RENOVACIÓN (VENTILACIÓN)

INTERNAS PERSONAS MOTORES LUCES EQUIPOS Y MAQUINAS VARIAS.


La ecuación general de balance térmico de verano clásica es la siguiente:QT = QC+ Qa+ QS+ QO

Donde:QT = Cantidad de calor total aportado al local analizadoQC = Cantidad de calor aportado por conducción a través de la envolvente del localQa = Cantidad de calor aportado por el aire exteriorQS = Cantidad de calor aportado al local por el solQO = Cantidad de calor aportado por ocupación (personas + equipamiento + iluminación)

Cálculo de la carga térmica para refrigeración

Este tutorial se va a centrar en el cálculo de las cargas térmicas para satisfacer las necesidades de refrigeración de un edificio, dependencia o local.

El cálculo de la carga térmica de refrigeración (Qr) es necesario para saber la capacidad de refrigeración de los aparatos de aire acondicionado que se deben utilizar, y en última instancia de su potencia eléctrica de consumo.

La carga térmica total de refrigeración (QR ) de un local se obtiene de la siguiente expresión:

QR = QS + QL

Donde,

QS : es la carga térmica sensible (W);QL : es la carga térmica latente (W).


En los siguientes apartados se expone cómo calcular las cargas térmicas sensible y latente que se transmiten al local, con objeto de sumarlas y obtener de esta forma la carga térmica total.

2- Cálculo de la carga térmica sensible

2.1- Expresión general

Para el cálculo de la carga térmica sensible (Qs) se emplea la siguiente expresión:Qs = Qsr + Qstr + Qst + Qsi + Qsai

Donde,

Qsr es el valor de la carga sensible debida a la radiación solar a través de las superficies acristaladas (W);Qstr es la carga sensible por transmisión y radiación a través de paredes y techos exteriores (W);Qst es la carga sensible por transmisión a través de paredes, techos, suelos y puertas interiores (W);Qsi es la carga sensible transmitida por infiltraciones de aire exterior (W);Qsai es la carga sensible debida a aportaciones internas (W).

Por lo tanto, el cálculo de la carga sensible se basa en calcular cada una de las diferentes cargas anteriores y sumarlas, obteniéndose así el valor de la carga sensible total. Y esto es precisamente lo que se va a realizar en los próximos apartados.

2.2- Carga por radiación solar a través de cristal "Qsr"

La radiación solar atraviesa las superficies traslúcidas y transparentes e incide sobre las superficies interiores del local, calentándolas, lo que a su vez incrementa la temperatura del ambiente interior.

La carga térmica por radiación a través de cristales y superficies traslúcidas (Qsr) se calcula como sigue:Qsr = S · R · F

Donde,

Qsr: es la carga térmica por radiación solar a través de cristal, en W.S: es la superficie traslúcida o acristalada expuesta a la radiación, en m2.R: es la radiación solar que atraviesa la superficie, en W/m2, correspondiente a la orientación, mes y latitud del lugar considerado.

2.3- Carga por transmisión y radiación a través de paredes y techos exteriores "Qstr"La carga por transmisión y radiación que se transmite a través de las paredes y techos opacos que limitan con el exterior (Qstr) se calcula como sigue:


Qstr = K · S · (Tec - Ti)

Donde,

Qstr: es la carga por transmisión a través de paredes y techos exteriores, en W.K: es el coeficiente global de transmisión térmica del cerramiento, también llamado transmitancia térmica, expresado en W/m2ºC.S: es la superficie del muro expuesta a la diferencia de temperaturas, en m2.Ti: es la temperatura interior de diseño del local (ºC)Tec: es la temperatura exterior de cálculo al otro lado del local (ºC)

2.4- Carga por transmisión a través de paredes, techos, suelos y puertas interiores "Qst"

La carga por transmisión a través de los cerramientos interiores del local que lo limitan con otras estancias del edificio (Qst) se calcula aplicando la expresión siguiente:Qst = K · S · (Te-Ti)

Donde,

Qst es la carga por transmisión a través de los cerramientos interiores, en W.K es el coeficiente global de transmisión térmica del cerramiento, también llamado transmitancia térmica, expresado en W/m2ºC.S es la superficie del cerramiento interior, en m2.Te es la temperatura de diseño al otro lado del cerramiento (ºC)Ti es la temperatura interior de diseño del local (ºC)

2.5- Carga transmitida por infiltraciones de aire exterior "Qsi"

La carga transmitida por infiltraciones y ventilación de aire exterior (Qsi) se determina mediante la siguiente expresión:

Qsi = V · ρ · Ce, aire · ΔT

Donde,

Qsi es la carga térmica por infiltración y ventilación de aire exterior (W);V es el caudal de aire infiltrado y de ventilación (m3/s);ρ es la densidad del aire, de valor 1,18 kg/m3;Ce, aire es el calor específico del aire, de valor 1012 J/kgºC;ΔT es la diferencia de temperaturas entre el ambiente exterior e interior.

2.6- Carga sensible por aportaciones internas "Qsai"

La ganancia de carga sensible debida a las aportaciones internas del local (Qsai) se determina a su vez como suma de las siguientes tipos de cargas que se generan dentro del mismo:

Qsai = Qsil + Qsp + Qse

Donde,

Qsil es el valor de la ganancia interna de carga sensible debida a la iluminación interior del local (W);


Qsp es la ganancia interna de carga sensible debida a los ocupantes del local (W);Qse es la ganancia interna de carga sensible debida a los diversos aparatos existentes en el local, como aparatos eléctricos, ordenadores, etc. (W).

2.7- Carga sensible total "Qs"La carga sensible total (Qs) aportada al local es la suma de todas las anteriores:Qs = Qsr + Qstr + Qst + Qsi + Qsil + Qsp + Qse

3- Cálculo de la carga térmica latente

3.1- Expresión general

Para el cálculo de la carga térmica latente (Ql) se emplea la siguiente expresión:Ql = Qli + Qlp

Donde,

Qli es la carga latente transmitida por infiltraciones de aire exterior (W);Qlp es la carga latente debida a la ocupación del local (W).

3.2- Carga latente transmitida por infiltraciones de aire exterior "Qli"

La carga latente transmitida por infiltraciones y ventilación de aire exterior (Qli) se determina mediante la siguiente expresión:

Qli = V · ρ · Cl,agua · Δw

Donde,

Qli es la carga térmica latente por ventilación de aire exterior (W)V es el caudal de aire infiltrado y ventilación (m3/s);ρ es la densidad del aire, de valor 1,18 kg/m3;Cl,agua es el calor específico del agua, de valor 2257 kJ/kg;Δw es la diferencia de humedad absoluta entre el ambiente exterior e interior.

3.3- Carga latente por ocupación "Qlp"

La carga latente por ocupación del local (Qlp) se determina multiplicando la valoración del calor latente emitido por la persona-tipo y por el número de ocupantes previstos para el local.Como se ha visto, en la anterior tabla 3 se indican los valores de calor latente y sensible, en kcal/h, desprendido por una persona según la actividad y la temperatura existente en el local.

La expresión para obtener el calor latente de aporte por la ocupación del local sería la siguiente:

Qlp = n · Clatente, persona

Siendo,

n es el número de personas que se espera que ocupen el local;Clatente, persona es el calor latente por persona y actividad que realice

3.4- Carga latente total "Ql"


La carga latente total (Ql) aportada al local es la suma de todas las anteriores:Ql = Qli + Qlp

IV. ESQUEMA Y DATOS NECESARIOS

Plano de una vista superior de la oficina ubicada en la cuadra 3 del jirón Bolívar

Tenemos los siguientes datos:

Altura ,h=4.1m

Alturadeventana ,hv=4.1m

Espesor de pared , e=0.3m

Temperaturaexterior ,T ext=30 °C

Porcentaje dehumedad exterior ,∅ ex=80%

Excursion termicadiaria ,ET=5 ° C


TemperaturadeConfort ,T conf=T 2=25 °C

Porcentaje dehumedad deconfort ,∅ conf=∅ 2=60%

Densidad del concreto , ρ=1500Kg /m3

Aforode7 personas comomaximo

V. CALCULO DE LA CARGA TERMICAEn primer lugar situaremos el diagrama psicométrico los puntos que corresponden a las condiciones exteriores y de confort:

T 1=30 °C ,∅ 1=80%≫≫≫W 1=0.0232Kgdeagua /Kgde aire

T 2=25 °C ,∅ 2=60%≫≫≫W 2=0.0122Kgdeagua /Kgde aire

El salto térmico es ∆T=30−25=5° C

A las 15 horas o 3 pm

Entonces a esa hora el salto térmico no tiene corrección por la tabla 2, que es la siguiente

∆T=5 ° C

∆W=W 1−W 2

∆W=0.011 kgdeagua /Kgdeaire

CALCULO DE LAS PARTIDAS DE CALOR SENSIBLE

A1 CALOR SENSIBLE DEBIDO A LA RADIACIÓN A TRAVÉS DE LAS VENTANAS.

Existen dos ventanas orientadas al este con superficie de

S=1.2∗1.5+1.2∗1.5=3.6m2


Entonces de la tabla 4, obtenemos los valores unitarios de radiación:

Este, 15 horas, 23 de julio ≫≫≫ R= 41 W / m2

De la tabal 5 el coeficiente de atenuación por tratarse de vidrio absorbente:


Vidrio absorbente al 45% ≫≫≫ factor f= 0.80

Por ser ventanas con marco metálico, tendremos que multiplicar por 1.17.

˙QSR=S∗R∗f

˙QSR=3.6∗41∗0.8∗1.17

˙QSR=138.1536W

Este es el calor de radiación de las ventanas.

A2 CALOR DEBIDO A LA RADIACION Y TRANSMISION A TRAVES DE LAS PAREDES Y TECHOS EXTERNOS.

El techo y 3 paredes (en este caso la de norte, sur y oeste) no lo tendremos en cuenta porque son paredes medianeras, por lo tanto no es exterior. Para tenerlo en cuenta en esta partida debe ser exterior.

La pared este es exterior S=5.32∗4.1=21.812m2y hay 2 ventanas q descontar de 3.6m2


S=21.812−3.6

S=18.212m2

DE=ρ∗espesor=1500Kg /m3∗0.3m

DE=450Kg /m2

Y al este a las 15 horas

DTE=6.9 ° C

El DTE corregido se calcula con la tabla 9:

∆T=5 ° C y ET=5 ° C

DTEcorregido=DTE+(correccion)

DTEcorregido=6.9+0

DTEcorregido=¿6.9 °C

El coeficiente de transmisión de la pared es

k=1.7W /m2∗K

˙QSTE=k∗S∗DTEcorregido


˙QSTE=1.7∗18.212∗6.9

˙QSTE=213.62676W

Calor de radiación de la pared externa.

A3 CALOR DEBIDO A LA TRANSMISION A TRAVES DE LAS PAREDES NO EXTERIORES.

Incluiremos el vidrio de las ventanas con una superficie de 1.5∗1.2∗2=3.6m2

Coeficiente de transmisión k=5.8W /(m2∗K )

Tenemos dos paredes interiores de 4*4.1 y otra de 5.32*4.10

˙QST=∑i=1

n

(S∗k∗∆ t)i

En este caso el salto térmico rebajado en 3 °C para las paredes interiores

∆ t=5−3=2° C

˙QST=3.6∗5.8∗5+(4∗4.1∗2 )∗2+5.32∗4.1∗2

˙QST=170W


A4 CALOR SENSIBLE DEBIDO A LAS INFILTRACIONES

Aforo= 7personas

De La Tabla 10 hallamos el volumen de aire de infiltraciones

V̇ infiltraciones=10.2m3/ persona y por puerta convestibulo

V̇ infiltraciones=10.2∗1∗7=71.4

V̇ infiltraciones=71.4m3/h

Q̇SI=0.33∗V̇ infiltraciones∗∆T

Q̇SI=0.33∗71.4∗5

Q̇SI=117.81W

A5 CALOR SENSIBLE GENERADO POR LAS PERONAS QUE OCUPAN EL LUGAR

T=25 °C y el cuadro de actividad de “sentado de trabajo ligero”

Tenemos que ˙Qemitido por persona=67W


Q̇SP=67∗7

Q̇SP=469W

A6 CALOR GENERADO POR LA ILUMINACION LOCAL

N° de fluorescentes = 2 unidades

Calor generado por cada fluorescente = 60 watts

Q̇SIL=1.25∗Pot

Q̇SIL=1.25∗(2∗60 )

Q̇SIL=150W

A7 CALOR GENERADO POR EQUIPOS DIVERSOS

N° de CPU’s = 2

Calor generado por cada CPU = 600 W

N° de Aspiradoras = 1

Calor generado por cada aspiradora = 750 W

N° de cafeteras = 1

Calor generado por cada cafetera = 900 W

˙QEDV=2250W


A9 CALOR SENSIBLE PROCEDENTE DEL AIRE DE VENTILACION

De la tabla 3, ibtenemos la necesidad de ventilacion en oficina aconsejado

V̇ V=85m3/N ° de personas

˙QSV=0.33∗f∗V̇ V∗∆T

f=coeficiente debate ria derefrigeracion , llamado factor deby−pass=0.3

˙QSV=0.33∗0.3∗(85∗7)∗5

˙QSV=294.525W

CALCULO DE LAS PARTIDAS DE CALOR LATENTE

B1 CAOR LATENTE DEBIDO AL AIRE DE INFILTRACIONES


Aforo = 7 personas

V̇ infiltraciones=71.4m3/h

˙QLI=0.84∗V̇ infiltraciones∗∆W

El ∆W debe estar en gde agua/Kgdeaire

QLI=0.84∗71.4∗0.011∗1000

QLI=659.736W

B2 CALOR LATENTE GENERADO POR LAS PERSOAS QUE OCUPAN EL LOCAL

Aforo = 7 personas

T= 25 °C Y de la tabla 11 Q̇L=36W

Q̇LP=Q̇L∗Aforo

Q̇LP=36∗7

Q̇LP=252W

B4 CALOR LATENTE PROCEDENTE DEL AIRE DE VENTILACION

V̇ V=85m3/N ° de personas

Q̇LV=0.84∗f∗V̇ V∗∆W

El ∆W debe estar en gde agua/Kgdeaire

Q̇LV=0.84∗0.3∗85∗7∗0.011∗1000

Q̇LV=1649.34W

CALCULO DE CARGAS EFECTIVAS PARCIALES

CALOR SENSIBLE EFECTIVO PARCIAL

Q̇SEP=Q̇SR+ ˙QSTE+Q̇ST+Q̇ SI+Q̇ SIL+ ˙QEDV+QSV

Q̇SEP=138.1539+213.62676+170+1117.81+469+150+2250+294

Q̇SEP=4802.59036W

CALOR LATENTE EFECTIVO PARCIAL


Q̇LEP=QLI+Q̇LP+Q̇LV

Q̇LEP=659.736+252+1649.3

Q̇LEP=2561.036W

CALCULO DE CARGAS EFECTIVAS

CALOR SENSIBLE EFECTIVO, CONSIDERE EL 10 % DE AUMENTO

Q̇SE=Q̇SEP+10%∗Q̇SEP

Q̇SE=1.1∗Q̇ SEP

Q̇SE=1.1∗4802.59036

Q̇SE=5282.4893W

CALOR LATENTEEFECTIVO, CONSIDERE EL 10 % DE AUMENTO

Q̇¿=Q̇LEP+10%∗Q̇LEP

Q̇¿=1.1∗Q̇LEP

Q̇¿=1.1∗1649.34

Q̇¿=2817.1399W

CALOR TOTAL

Q̇E=Q̇ SE+Q̇¿

Q̇E=5282.4893+2817.1399

Q̇E=8099.9889W


VI. DISEÑO DE CONDUCTOS

CALCULO DE PARAMETROS


Tenemos que:

Q̇SE=5282.4893W

Q̇¿=2817.1399W

Q̇E=8099.9889W

TemperaturadeConfort ,T conf=T 2=25 °C

Porcentaje dehumedad deconfort ,∅ conf=∅ 2=60%

Temperaturaexterior ,T ext=30 °C

Porcentaje dehumedad exterior ,∅ ex=80%

Calculo de la Temperatura de rpocio de la unidad de aire condicionado

T 2=25 °C ,∅ 2=60%

De la carta psicometrica trazando la horizontal hacia el ∅ del100% del punto encontrado tenemos la temperatura de rocio, tenemos que:

T 4=T rocio=16° C


V̇=Q̇SE

0.33∗(1−f )∗(T2−T 4 )

V̇= 5282.48930.33∗(1−0.3 )∗(25−16 )

V̇=2541.0531m3/h

Obtencion de la temperatura de aire a la entrada de la UAA,T 3

T 3=V V

V̇∗(T 1−T 2)+T2

T 3=85∗7

2541.0531∗(30−25 )+25

T 3=26.17 °C

Obtencion de la temperatura de aire a la salida de la UAA,T 5

T 5=f∗(T 5−T 4 )+T 4

T 5=0.3∗(30−16 )+16

T 5=20.2 °C

Entonces con estos datos podemos hallar : h3 y h5

Con la T 3=26.17 °C ,∅3=∅ ext=80%

De la tabla psicometrica, tenemos:

h3=71.3KJ /Kg

Con la T 5=20.2 °C ,∅ 5=∅ conf=60%

De la tabla psicometrica, tenemos:

h5=44.5KJ /Kg

Potencia frigorifica de la UAA, N R

N R=0.33∗˙V∗(¿h3−h5)¿

N R=0.33∗˙2541.0531∗(¿71.3−44.5)¿

N R=22473.07362W


El criterio de la eleccion de las dimensiones de los conductos hara con el criterio de que sea de eleccion cuadrada de H=200 mm y D=200 mm

V̇=2541.0531m3/h

Calculo del diametro equivalente.

Asumimos W=200 mm y H= 200 mm

De=1.3∗(WH )0.625

(W+H )0.250

De=1.3∗(0.2∗0.2 )0.625

(0.2+0.2 )0.250

De=0.2186m

Con la formula de caudal

c=V̇

3600∗H∗V

c= 2541.05313600∗0.2∗0.2

c=17.6462m /s

Para la primera curva

W=V=200 mm y H=G= 200 mm y asumimos un valor de R=300 mm

Tenemos:


VG

=200200

=1

RG

=300200

=1.5

Por tablas hallamos LG

=4.5

Hallamos la Longitud equivalente


L=4.5∗G

L=4.5∗0.2

L=0.9m

La primera curva equivale a 0.9 m de longitud equivalente.

La segunda curva tiene los mismos datos asi que la curva 0.9 m de longitud equivalente.

Enotnces nos queda un conducto equivalente total de 1.8 m

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Conclusiones:

Hallamos que la carga termica para una oficina es de

Q̇E=8099.9889W

Potencia frigorifica de la Unidad de Aire Acondicionado

N R=22473.07362W

El flujo de aire que debe ingresar es de V̇=2541.0531m3/h

El caudal de aire que debe ingresar es de

c=17.6462m /s

Y el ducto se asumio cuadrado de 200 mm de lado el cual nos resulto una longitud de conducto principal de 1.8 m

VII. BIBLIOGRAFÍA “Aire Acondicionado, Nueva Enciclopedia de la climatización”, Ángel Luis Miranda Barreras

http://www.fisicanet.com.ar/acondicionamiento/acondicionamiento/ap01_acondicionamiento_ambiental.php

www.acondicionamiento.pe/125834296-Teoria-de-Balance-Termico-de-Verano.pdf

http://ingemecanica.com/tutorialsemanal/tutorialn255.html


http://ingemecanica.com/tutorialsemanal/tutorialn255.html

http://www.acondicionamiento.pe/125834296-Teoria-de-Balance-Termico-de-Verano.pdf



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