Diseño de Sistema de Acondicionamiento de Aire para Ambiente de Laboratorios de Empresa de...

8/16/2019 Diseño de Sistema de Acondicionamiento de Aire para Ambiente de Laboratorios de Empresa de Producción Alimenticia

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UNIVERSIDAD NACIONAL EXPERIMENTAL POLITÉCNICA.

“ANTONIO JOSÉ DE SUCRE”.

VICE-RECTORADO BARQUISIMETO.

DEPARTAMENTO DE INGENIERÍA MECÁNICA.

DISEÑO DE SISTEMA DE ACONDICIONAMIENTO DE AIRE PARA AMBIENTE DE

LABORATORIOS DE EMPRESA DE PRODUCCIÓN ALIMENTICIA


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UNIVERSIDAD NACIONAL EXPERIMENTAL POLITÉCNICA.“ANTONIO JOSÉ DE SUCRE”.



Área de Conocimiento: MecánicaLínea de Investigación: Automatización de procesos termodinámicos y sistema de

gestión de fluido.

DISEÑO DE SISTEMA DE ACONDICIONAMIENTO DE AIRE PARA AMBIENTE

DE LABORATORIOS DE EMPRESA DE PRODUCCIÓN ALIMENTICIA


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AGRADECIMIENTOS

Primeramente doy gracias a Dios Todopoderoso y a la Virgen María Santísima

por darme vida, regalarme una maravillosa familia, bendecirme a cada instante, por estar

junto a mí en los momentos de alegría y de darme fuerzas para seguir adelante en los

momentos de dificultad. Gracias Diosito por regalarme la oportunidad de estudiar, ya que

muchos no la viven, gracias por estar conmigo estos 5 años de arduo esfuerzo y trabajo, sin

su presencia en mi día a día no hubiera podido alcanzar esta meta.

Doy gracias a mi papa Fred Hernández y mi mami Ivanna Ramos porque son mis

mayores héroes y ejemplo a seguir, su amor, comprensión, respeto, tolerancia, sacrificio

,orgullo, confianza han sido pilar fundamental para ser quien ahora soy, son mis mejores

amigos, le doy gracia a dios porque ustedes sean mis padres. Sin su guía, educación, ayuday apoyo incondicional no fuera nada de lo que soy ahora. Los amo con todo mi corazón. No

me cansaré de darles las gracias nunca. No existen palabras para describir el amor tan

grande que les tengo, y no existe mis letras que exprese el agradecimiento que les tengo.

Doy gracias a mi hermana Freily Hernández por todo el apoyo y ayuda que me ha

brindado durante todo este tiempo, gracias por aguantar mis locuras y amarguras, eres mi

mayor motivación y te doy gracias por ayudar a mantenerme firme en cada paso. Faltan

muchas cosas por vivir pero te doy gracias por estar junto a mí en el cumplimiento de esta


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Doy gracias Victor Salazar, Anthony Campos, Jorge Campos y Daniela Catari

por ser mis mejores y fieles amigos y ayudarme en el recorrido del cumplimiento de esta

gran meta, siempre están allí cuando los necesito, no sé qué sería de mi aquí en

Barquisimeto sino los fuera conocido, todavía estuviera perdida jeje. Gracias por el simple

hecho de ser quienes son y quererme a mí tal como soy.

Victor con todas y tus amarguras me has enseñado a ser más fuerte, cuanto te agradezco,

eres un amigo que no tiene comparación eres mi vii, mi colega, mi gran amigo mi gran

compañero fiel te amo viii.

Anthony Campos mi hermano que ha estado en las buenas y las malas te doy gracias

porque a pesar de la distancia siempre estás allí cuando te necesito, tú y tu familia han sido

soportes fundamentales en mi instancia en la ciudad de Barquisimeto gracias amigo te amo

un montón.

Jorge Campos mi segundo padre no existen palabras para decir cuánto te agradezco se

que solo estarás allí con una llamada por eso gracias infinitas, me has enseñado muchísimas

cosas, una de las primeras me enseñaste a estudiar desde el principio de mi carrera fue una

excelente bienvenida gracias a eso tuve un gran éxito durante mi carrera, de verdad mil

gracias padre confiable te amor un mundo.

Daniela Catari mi hermana, mi mejor amiga, mi preciosa compañera fiel, a pesar de

todos los obstáculos que hemos tenido nuestra amistad ha perdurado y perdurara con el

mismo amor gracias por ese apoyo incondicional durante estos 5 años te amo con toda mi


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ÍNDICE

ACTA DE APROBACIÓN ..................................................................................................... I

AGRADECIMIENTOS .......................................................................................................... II

RESUMEN ............................................................................................................................. 1

INTRODUCIÓN .................................................................................................................... 2

CAPÍTULO I ........................................................................................................................ 5

EL PROBLEMA ................................................................................................................ 5

Planteamiento del problema ........................................................................................... 5

OBJETIVOS DE LA INVESTIGACIÓN .......................................................................... 7

Objetivo General ............................................................................................................ 7

Objetivos Específicos ..................................................................................................... 7

JUSTIFICACIÓN E IMPORTANCIA ............................................................................... 8

CAPÍTULO II ..................................................................................................................... 10

MARCO TEÓRICO ......................................................................................................... 10


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Cálculo de las ganancias de calor por transmisión. ...................................................... 21

Cálculo de calor generado dentro del local. ................................................................. 22

Cálculo del calor proveniente del aire exterior. ............................................................ 24

Calculo del caudal de aire requerido. ........................................................................... 24

Factor del calor sensible del local (RSHF). .................................................................. 25

Factor de calor sensible total (GSHF). ......................................................................... 25

Temperatura del punto de rocío del aparato (ADP). .................................................... 25

Factor de Bypass (BF). ................................................................................................. 26

Factor de calor sensible efectivo (ESHF). .................................................................... 27

Obtención del caudal de aire exterior (CFMoa). .......................................................... 27

Condiciones del aire a la entrada y salida de la mezcla................................................ 27

Distribución de aire ...................................................................................................... 29

Métodos de cálculo de ductos....................................................................................... 30

Método de pérdida de carga constante o de igual fricción. .......................................... 30

Elementos terminales de impulsión .............................................................................. 30

Equipos de aire acondicionado. .................................................................................... 32

Equipos de expansión directa. ...................................................................................... 33


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Fase III diseño de un sistema de acondicionamiento de aire para ambiente de

laboratorios 37

CAPITULO IV ................................................................................................................... 39

ANÁLISIS DE LOS RESULTADOS .............................................................................. 39

Fase I diagnóstico de la situación actual de los laboratorios ........................................ 39

Condiciones de proyecto .............................................................................................. 39

Temperatura de bulbo seco: ......................................................................................... 39

Humedad relativa ......................................................................................................... 40

Temperatura de bulbo húmedo ..................................................................................... 40

Punto de rocío ............................................................................................................... 40

Humedad específica ..................................................................................................... 40

Fase II factibilidad técnico-operativa de la implementación del diseño de

Acondicionamiento de aire ........................................................................................................ 40


laboratorios 41

Estimación de la carga térmica ..................................................................................... 41

Ganancia de calor solar a través de vidrios. ................................................................. 41

Ganancia de calor solar y transmisión a través de puertas externas. ............................ 42


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Obtención del factor de bypass (BF). ........................................................................... 48

Factor de calor sensible efectivo (ESHF) ..................................................................... 49

Temperatura de punto de rocío del serpentín (ADP). ................................................... 49

Condiciones del aire de impulsión ............................................................................... 49

Capacidad total del sistema. ......................................................................................... 51

Distribución de aire ...................................................................................................... 71

Propuesta de Soportes .................................................................................................. 82

CAPITULO V ..................................................................................................................... 84

CONCLUSIONES Y RECOMENDACIONES ............................................................... 84

Conclusión .................................................................................................................... 84

Recomendaciones ......................................................................................................... 85

ANEXOS .............................................................................................................................. 88


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UNIVERSIDAD NACIONAL EXPERIMENTAL POLITÉCNICA.

“ANTONIO JOSÉ DE SUCRE”.



DISEÑO DE SISTEMA DE ACONDICIONAMIENTO DE AIRE PARA AMBIENTE

DE LABORATORIOS DE EMPRESA DE PRODUCCIÓN ALIMENTICIA.

RESUMEN

Con el fin de obtener un ambiente propicio de trabajo y cumplir con los requerimientos

de higiene de laboratorios de una Empresa de Producción Alimenticia, surge la necesidadde la realización de un diseño de acondicionamiento de aire bajo equipos compacto de

expansión directa. Este proyecto es de tipo factible, el cual fue realizado bajo el


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INTRODUCIÓN

El ser humano siempre se ha caracterizado por su tendencia a crear herramientas y

técnicas que faciliten la realización de sus actividades de la vida diaria, teniendo siempre el

objetivo de obtener resultados satisfactorios; parte de este logro se debe a la comodidad y el

confort que pueda brindar el lugar donde dichas personas se desempeñan diariamente, ya

sea en el hogar o en el lugar de trabajo. Suponiendo un sitio de trabajo, si el personal no se

siente cómodo o conforme en el área laboral, se produciría situaciones de bajo rendimiento,

influyendo por lo tanto en la productividad del organismo en relación, poniendo en riesgo

el avance y desarrollo del mismo; pero si de lo contrario, las personas se sienten a gusto con

el ambiente laboral, podrán desempeñarse de una manera óptima y así se tiene un máximo

rendimiento en estas, de tal modo cada labor será debidamente realizada generando

satisfacción en cada persona beneficiada.

Una de las cosas que hacen posible lograr obtener un ambiente propicio para la

realización de cualquier clase de actividad o trabajo es el acondicionamiento del aire; ésta

es una técnica que se utiliza desde hace mucho tiempo atrás, que se basa en tomar el aire

ambiental, extraerle su calor y su humedad para obtener aire más frio y un poco más seco;

la instalación de equipos que realicen este proceso, debido a los fuertes cambios climáticos

t d l l t i t l b l d d h i ñ h d j d l j


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Existen áreas como laboratorios que requieren de alta calidad de aire e higiene,

temperatura, humedad y presión controlada y otros por normativa, por lo tanto están en la

necesidad de tener algún sistema que les permita cumplir con esas necesidades.

Cabe indicar que de acuerdo a todo lo anteriormente planteado y en vista de controlar

ambientes de acuerdo a su requerimiento para conservar sus productos en los laboratorios

de una empresa de producción alimenticia se debe cumplir esta condición, ya que estos son

utilizados para el análisis de los productos finales en cuanto a los parámetros que estos

deben cumplir, los mismo están constituidos por cinco (05) áreas: Aduana que es el sitio

donde los trabajadores se colocan los elementos de seguridad para pasar a un espacio

llamado determinación de salmonella siendo este segundo el lugar donde se realizan

Análisis de Salmonella en los productos obtenidos según un tiempo determinado, el tercero

es Esterilización en el cual como su nombre lo indica se realiza la esterilización de las

herramientas a utilizar en determinación de salmonella, la cuarta es Pesaje cuya utilidad es

el de pesar tanta cantidad de productos vaya a ser analizado y por ultimo pero no menos

importante el área de Lavado donde se realiza el lavado de los instrumentos utilizados en

salmonella, los sitios nombrados anteriormente por su utilización requieren de condiciones

ambientales específicas como alta higiene, humedad relativa, temperatura, presión entre

otros, dados por norma, sanidad entre otras, por ende se nota la necesidad de que estaszonas deben tener un sistema que acondicione el ambiente de manera que permita el

cumplimiento de los requerimientos de cada una de estas por lo tanto se propone el diseño


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del diseño, además de exponerse las diferentes experiencias de otros proyectistas que

anteriormente han trabajado en este campo de la ingeniería. El Capítulo III, titulado Marco

Metodológico, trata sobre el tipo de investigación que se efectuó mediante este diseño,

basándose en las definiciones del Manual de Trabajos de Grado de Especialización,

Maestría y Tesis Doctorales, UPEL (2006); también se explica el desarrollo de este trabajo

mediante tres fases, para ser cumplidas en estricto orden.

De acuerdo a lo anteriormente expuesto, seguidamente se procede al análisis de los

resultados en el Capítulo IV titulado Resultados; en este capítulo finalmente se procede a la

realización del diseño en sí, explicando los procedimientos que se siguieron y exponiendo

los resultados obtenidos luego de su realización. Finalmente en el Capítulo V titulado

Conclusiones y Recomendaciones, como su nombre lo indica, se explican las conclusiones

obtenidas en base a la realización del diseño de aire acondicionado por equipos compactos

de expansión directa, además de dar una serie de recomendaciones de suma importancia al

momento de ser ejecutado este diseño.


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CAPÍTULO I

EL PROBLEMA

Planteamiento del problema

En nuestros climas tropicales durante los días de más calor, nuestros antepasados

buscaban refrescarse trasladándose a áreas cerca de la costa o las montañas. La otra

alternativa era aumentar la evaporación del sudor mediante el abanico de mano que fueinventado hace más de 4000 años. El abanico aumenta la circulación de aire sobre la piel.

Cabe indicar que unos de los primeros países en desarrollar el abanico para mover mayores

cantidades de aire fue China en el siglo II a cargo del inventor DingHuan desarrolló el

primer abanico que podía mover grandes masas de aire. Este se movía manualmente y con

un diámetro de aproximadamente 2 metros podía refrescar una habitación completa.

También se dice que en la antigüedad, los egipcios ya utilizaban sistemas y métodos

para reducir el calor. Se utilizaba principalmente en el palacio del faraón. Se supone que el

faraón disfrutaba de temperaturas alrededor de los 26° Celsius, mientras que afuera el calor

subía hasta casi el doble. Esta es una de las innumerables circunstancias que ejemplifican lo

que la humanidad ha tenido que enfrentar para satisfacer sus necesidades, de realizar sus

actividades en un ambiente adecuado.

Así mismo el doctor en medicina John Gorrie, en Estados Unidos de Norte América


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humanos, al igual que sucedió cuando se inventó el fuego. Esto ha permitido que el hombre

pueda vivir en ambientes considerados inhóspitos, con temperaturas que sobrepasan con

facilidad los 35º C, además de servir de gran ayuda en épocas de verano en ciudades de

mucho auge económico, que podrían considerarse en estos meses como inhabitables. En un

principio los equipos de aire acondicionado eran destinados solo a generar frío, sin

embargo, se agregó la necesidad de manejar el calor también, para calefacción en tiempos

de invierno, por lo que se usaron resistencias para generar calor (al igual que cualquier

estufa eléctrica).

Hoy en día los equipos de aire acondicionado son capaces de utilizar el mismo sistema

de refrigeración y calefacción, además estos pueden mejorar las condiciones de un entorno,

ya que eliminan las bacterias del ambiente entre otras cosas. Es así que estos equipos están

diseñados para mejoras las condiciones de un ambiente, lo que juega un papel muy

importante en la calidad de vida no solo de los hogares, sino que también de cualquier otrolugar donde se instalen equipos de este tipo. El aire acondicionado inventado por Willis

Carrier ha hecho posible el desarrollo de muchas áreas tropicales y desérticas del mundo,

que dependen de la posibilidad de controlar su medio ambiente.

Existen áreas como laboratorios que requieren de alta calidad de aire e higiene,

temperatura, humedad y presión controlada y otros por normativa, por lo tanto están en lanecesidad de tener algún sistema que les permita cumplir con esas necesidades.

Cabe indicar que de acuerdo a todo lo anteriormente planteado y en vista de controlar


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salmonella, los sitios nombrados anteriormente por su utilización requieren de condiciones

ambientales específicas como alta higiene, humedad relativa, temperatura, presión entre

otros, dados por norma, sanidad entre otras, por ende se nota la necesidad de que estas

zonas deben tener un sistema que acondicione el ambiente de manera que permita el

cumplimiento de los requerimientos de cada una de estas, por lo tanto se propone el diseño

de un Sistema de Acondicionamiento de Aire para ambientes de laboratorios de la empresa

de producción alimenticia y así satisfacer las exigencias ambientales de cada espacio

constituyente, mediante este sistema.

Según lo antes mencionado se plantean las siguientes interrogantes:¿El sistema de

acondicionamiento de aire mejorara las condiciones laborales y procesos llevados dentro de

las instalaciones?, ¿Al momento de la ejecución del proyecto se encontraran disponibles

todos los materiales, accesorios y dispositivos necesarios para su implementación?

OBJETIVOS DE LA INVESTIGACIÓN

Objetivo General

Diseño de sistema de acondicionamiento de aire para ambiente de laboratorios de

empresa de producción alimenticia


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JUSTIFICACIÓN E IMPORTANCIA

El ser humano necesita mantener una sensación física cómoda en el entorno en donde se

encuentra tomando en cuenta que el cuerpo humano reacciona al clima. Este confort se

logra gracias al acondicionamiento del aire en donde su propósito es mantener un ambiente

agradable. El acondicionamiento de un local tiene por objeto crear unas determinadas

condiciones de temperatura, humedad, movimiento del aire, control del calor y la

eliminación de partículas y gases mezclados en el aire a fin de que las personas que lo

habitan tengan una sensación de bienestar y que el espacio cumpla con las normativas

ambientales y de higiene que requieren . La mencionada sensación es, principalmente, el

resultado del intercambio de energía entre el cuerpo humano y su entorno. Este intercambio

se produce por evaporación, convección y radiación. Podemos ver que, únicamente en los

espacios habitados, es necesario mantener las condiciones ambientales necesarias para elconfort. De hecho las normativas sobre el acondicionamiento ya definen estos espacios, en

que debe garantizarse los criterios de bienestar, como zonas ocupadas.

Los laboratorios que tienen por nombre Pesaje, Aduana, Lavado, Esterilización y

Determinación de Salmonella necesitan de control ambiental por todo lo dicho

anteriormente ya que no existe ningún elemento que garantice la alta higiene que estosespacios exigen.

Por esta razón justificamos que el diseño del Sistema de acondicionamiento de aire sería


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estando dentro de la línea de investigación: Automatización de procesos termodinámicos y

sistema de gestión de fluido.

ALCANCES Y LIMITACIONES

El presente trabajo de investigación está limitado al enfoque documentario del Diseño

de sistema de acondicionamiento de aire para un ambiente de laboratorios. Para cubrir este

alcance se requiere:

La especificación de materiales y dimensiones de la ductería y accesorios del

sistema.

Dimensionamiento de Difusores de impulsión de aire y rejillas de extracción

de aire.

El diseño de soporte y sujeción del equipo

El diseño de soportes para ductería.

Para el diseño de los elementos nombrados anteriormente se tomarán como criterios de

diseño los requerimientos de la empresa en cuanto a las características del producto final.

Las limitaciones del proyecto serián:

El proyecto se encuentra limitado al estudio de las exigencias de las áreas

Aduana, Pesaje, Esterilización, Lavado y Determinación de Salmonella


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CAPÍTULO II

MARCO TEÓRICO

Antecedentes

Para sustentar teóricamente esta investigación se realizó la revisión de diferentes

trabajos, publicaciones e investigaciones que guardan relación con esta, entre las cuales seencuentran:

La investigación de López en el país de Guatemala (2007), el cual presento un trabajo de

grado titulado “Diseño e instalación de un sistema de ductería para la distribución de aire

acondicionado dado por cuatro manejadoras en almacenes Carrion” cuyo objetivo fue el

Desarrollo e instalación del sistema de ductería para cuatro manejadoras en Almacenes

Carrión, Centro comercial Plaza zona 4, Ciudad Guatemala. Este se baso en la modalidad

de proyecto factible apoyado en una investigación de campo utilizando como técnica la

observación directa y la entrevista no estructurada obteniendo los siguientes resultados.

El estudio de este proyecto se basó en el análisis físico del local, carga térmica y

selección adecuada de la distribución y suministros de aire en cada ambiente del local para

controlar la temperatura, humedad y movimiento del aire de manera más práctica.

El dimensionamiento de los ductos y conexiones fueron realizadas por el método de


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• Diseño del sistema de conductos

• Selección de los ramales auxiliares, de las rejillas y difusores.

• Construcción.

• Instalación.

• Arranque y prueba.

El sistema de acondicionamiento de aire está comprendido por un chiller Carrier

modelo 30GX-136---630CA enfriado por agua, utiliza dos bombas marca Bell&Gossett de

10 Hp y un sistema de tubería para el circuito del agua distribuido a cuatro manejadoras

Carrier de modelo 39THWQAA. El chiller trabaja con refrigerante HFC 134a y dos

compresores de tornillo semi-hemético lo cuales son elementos principales que comprenden

al sistema.

El aire acondicionado para la planta baja estará distribuido por las manejadoras 1 y 2

que tienen una capacidad de 15,000 CFM cada una, mientras que la planta alta estarádistribuida por las manejadoras 3 y 4 con capacidad de 20,000 CFM cada una.

Del anterior trabajo se tomaran en cuenta aspectos teóricos así como algunos de los

criterios de diseño para el desarrollo de este trabajo.

Siguiendo la misma línea de investigación, se encuentra que Álvarez (2008),quien

realizó un trabajo de investigación del tipo descriptiva con la modalidad de proyectofactible, el cual tiene como título “Diseño de un sistema de aire acondicionado para un

terminal de pasajeros”; éste tuvo como objetivo general “Diseñar un sistema de aire


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comodidad y un buen ambiente laboral a todas las personas que pertenecen a la comunidad

trabajadora de este ente de servicio público.

Del estudio nombrado anteriormente se considerara la manera de análisis referente a

dimensionamiento de ductería, rejillas y de las características tomadas en cuenta al

momento de la selección del equipo entre otros, además hacen notar la importancia y gran

utilidad de los sistemas de acondicionamiento de aire, ya que estos permiten lograr

satisfacer las necesidades de las personas que se desenvuelven en un entorno específico.

En este mismo orden de ideas se considera el trabajo realizado por Trejo y Reyes(2009)

titulado “Cálculo y selección del equipo de un sistema para aire acondicionado para un

teatro en Puerto Vallarta, Jalisco” cuyo objetivo era diseñar e implementar un sistema de

aire acondicionado para producir el tratamiento de aire ambiente del teatro de puerto

Vallarta, Jalisco de tal manera que se controle simultáneamente la temperatura, humedad,

limpieza y distribución de aire para satisfacer las necesidades de los usuarios del local.Manteniendo una temperatura de 24°c en el interior, así como una humedad relativa de

55%. Este se basó en la modalidad de proyecto factible apoyado en una investigación de

campo utilizando como técnica la observación directa y la entrevista no estructurada

obteniendo los siguientes resultados.

El estudio se realizó basado en las condiciones externas e internas del lugar, ubicacióngeográfica, cantidad de ocupantes, tipo de alumbrado y orientación del local,

considerándose así cada uno de estos aspectos en el desarrollo del trabajo y así poder


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El aporte de este trabajo a la presente investigación es la forma como realizo la selección

de los diferentes equipos que conforman el sistema de aire acondicionado.

Bases teóricas

Cuando se va a realizar cualquier tipo de trabajo en cualquier ámbito una de las mayores

cosas a considerar es el buen manejo de la información referente al área en estudio, en este

caso en particular es necesario ciertos conceptos concerniente a los sistemas de

acondicionamiento y todo lo que esto engloba, por consiguiente se presenta una serie de

concepto que se creen necesarios conocer antes del seguido desarrollo de este proyecto

Es importante comenzar por definir y describir lo que es acondicionamiento de aire,

claramente explicado en el libro titulado Aire Acondicionado del autor Carnicer, E. (2006)

y en el Manual de Aire Acondicionado, Carrier (1992).

Acondicionamiento de aire

Este término se refiere al proceso de tratamiento de aire atmosférico que coordina los

cinco factores que le son propios, sumando el nivel sonoro para que el ocupante de un

ambiente con aire acondicionado se encuentre acogido confortablemente.

Los agentes a combinar son:

Temperatura: La temperatura es una medida de la energía cinética de los átomos o


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perfecto desplazamiento del aire en sus inmediaciones. Una velocidad muy alta

produce un efecto desagradable, que se hace difícil de soportar por tanto más cuanto

más frio sea el aire. Por el contrario, una velocidad ahogo, de falta de aire que

ocasiona incomodidad.

Limpieza del aire (filtrado): La filtración del aire que se va a respirar constituye uno

de los asuntos más relevantes en las instalaciones de climatización, puesto que la

cantidad de materias contaminantes que proliferan el aire atmosférico es muy

variable y no tienen todas las mismas dimensiones; la filtración del aire debe

acoplarse a las necesidades reales del local que se va a dotar de aire acondicionado,

pues no todos requieren de la misma eficacia de filtrado.

Ventilación (renovación del aire): La finalidad de la ventilación es sustituir el aire

contaminado (con un elevado número de polvo, humo, bacterias y olores) por otro

aire limpio mucho más conveniente para la respiración y su contribución al bienestar puede ser importante como la que proporciona la temperatura y humedad.

Los cálculos para el diseño de un sistema de aire acondicionado por agua helada se

encuentran establecidos en tres partes, primeramente se realiza el cálculo de la carga

térmica del local a acondicionar de acuerdo a diferentes parámetros de los cuales este

depende, luego se procede a la realización de la distribución de aire requerido para

acondicionar cada zona del local propiamente dicho y al cálculo de las dimensiones de la


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psicrométricas o de la carta psicrométrica. Los conceptos de mayor relevancia, necesarios

de manejar y definidos por el Manual de Carrier son los siguientes:

Humedad relativa: Es un término utilizado para expresar la cantidad de humedad en

una muestra dada de aire, en comparación con la cantidad de humedad que el aire

tendría, estando totalmente saturado y a la misma temperatura de la atmosfera. La

humedad relativa se expresa en porcentaje. De acuerdo a la ASHRAE, la humedad

relativa se define como la fracción mol de vapor de agua presente en el aire, con la

fracción mol de vapor de agua presente en el aire saturado, a la misma temperatura

y presión.

Punto de rocío: Uno de los conceptos más empleados para señalar el grado de

humedad del aire ambiente es el punto de rocío, que se distingue por las siglas PR.

El punto de rocío determina una temperatura “t” a la cual el aire llega al punto d e

saturación; es decir, el aire se convierte en aire saturado. No se produciráncondensaciones si la temperatura del aire se mantiene por encima del punto de rocío

(PR).

Entalpia: Es la cantidad de energía de un sistema termodinámico que éste puede

intercambiar con su entorno. En un cambio de fase, por ejemplo de líquido a gas, el

cambio de entalpía del sistema es el calor latente, en este caso el de vaporización.En un simple cambio de temperatura, el cambio de entalpía por cada grado de

variación corresponde a la capacidad calorífica del sistema a presión constante


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Calor Sensible: Es la cantidad de calor que se debe suministrar a una sustancia para

aumentar su temperatura. Este se puede medir o sentir, provoca el cambio de

temperatura de una sustancia pero no un cambio de estado; las sustancias al estar en

estado sólido, líquido o gaseoso, contienen calor sensible hasta cierto grado,

siempre que sus temperaturas sean mayores que el cero absoluto.

Calor Latente: El calor latente o de cambio de estado, es la energía requerida por

una sustancia para cambiar de estado, de sólido a líquido (calor de fusión) o de

líquido a gaseoso (calor de vaporización). Al cambiar de gaseoso a líquido y de

líquido a sólido se libera la misma cantidad de energía.

Transferencia de calor: Es el proceso por el que se intercambia energía en forma de

calor entre distintos cuerpos, o entre diferentes partes de un mismo cuerpo que están

a distinta temperatura. El calor se transfiere mediante la convección, la radiación o

la conducción. Aunque estos tres procesos pueden tener lugar simultáneamente, puede ocurrir que uno de los mecanismos predomine sobre los otros dos.

Conocer los fundamentos de la transmisión de calor permite determinar las pérdidas

o ganancias que se producen en el local que se acondicionara. Entre el interior y el

exterior de un local acondicionado existe una diferencia de temperatura y humedad. El

interior del local tenderá a ceder o absorber calor según su temperatura interior sea

menor o mayor que la exterior.


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Cargas Exteriores

Las cargas exteriores consisten en:a. Rayos del sol que entran por la ventana: La ganancia de calor solar suele reducirse por

medio de pantallas en el interior o exterior de las ventanas. Debe tenerse en cuenta que toda

o parte de la ventana pueda estar sombreada por los salientes o por edificios próximos.

b. Rayos del sol que inciden sobre las paredes y techo: Estos, junto con la elevada

temperatura del aire exterior, hacen que afluya el calor en el espacio acondicionado.

c. Temperatura del aire exterior: Una temperatura del ambiente exterior más alta que la del

interior, hace que el calor fluya a través de las ventanas, tabiques y suelos.

d. Presión del vapor de agua: Una elevada presión de vapor de agua alrededor del espacio

acondicionado, hace que el vapor fluya a través de los materiales que constituyen el

edificio. Esta carga solo es apreciable en los casos de bajo punto de rocío interior.

e. Viento que sopla contra una pared del edificio: El viento hace que el aire exterior, con

mayor temperatura y contenido de humedad, se infiltre a través de las rendijas de puertas y

ventanas, con lo que resulta una ganancia de calor latente y sensible. Toda o parte de esta

infiltración puede anularse por el aire que se introduce a través del aparato de

acondicionamiento a efectos de ventilación.

f. Aire exterior necesario para la ventilación: Generalmente, se necesita aire exterior para

renovar el interior y suprimir olores. Este aire de ventilación impone al equipo de


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acondicionador. Generalmente, las ganancias internas provienen de algunas (o todas) de las

siguientes fuentes:

a. Personas: El cuerpo humano, en razón de su metabolismo, genera calor en su interior y lo

cede por radiación, convección y evaporación desde su superficie, y por convección y

evaporación a través del sistema respiratorio. La cantidad de calor generado y disipado

depende de la temperatura ambiente y del grado de la temperatura de la persona.

b. Alumbrado: Los elementos de iluminación convierten la energía eléctrica en calor y en

luz. Una parte de este calor es radiante y se almacena radialmente y parcialmente.

c. Utensilios: Los restaurantes, hospitales, laboratorios y determinados establecimientos

tienen aparatos eléctricos de gas o de vapor que desprenden vapor que afectan

considerablemente al calor dentro del local.

d. Maquinas eléctricas de calcular: Se consulta los datos de fábrica para valorar la ganancia

de calor procedente de las maquinas eléctricas de calcular. Estas máquinas pueden estartambién cubiertas o tener refrigeración interna parcial lo cual reduce la carga impuesta al

equipo de acondicionamiento.

e. Motores eléctricos: Los motores eléctricos constituyen una carga muy importante en las

instalaciones industriales, por lo que debe hacerse un cuidadoso análisis respecto a las horas

de trabajo y su capacidad antes de hacer una estimación de la carga. Frecuentemente noconstituyen problema la medida de esta carga en las instalaciones existentes y debe hacerse

siempre que sea posible


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la distribución del aire o el agua en el sistema, generan calor. También se añaden calor

cuando los conductos de impulsión de aire o de retorno atraviesan espacios más calientes.

En los conductos de impulsión pueden producirse fugas de aire frio y en los de retorno,

fugas de aire caliente.

Cálculo estimado de carga térmica.

Determinación de condiciones exteriores

De los datos climatológicos aportadas por el servicio de meteorología de la Aviación

Militar Bolivariana de Venezuela en su página web, se busca cual es la máxima absoluta de

las temperaturas del bulbo seco (t00 TBS) y se estudiara el mes que tenga la mayor. De este

mes se utiliza la humedad relativa (HR) mínima media. Con estos valores entramos en la

carta Psicométrica y se determinan las demás condiciones: temperatura del bulbo húmedo

(TBH), punto de rocío (PR), humedad especifica (HESP) y entalpia (H).

Determinación de condiciones interiores

Para el interior de cada local se asumen o se determinan las condiciones de confort entre

23°C y 25°C (73,4°F y 77) y una humedad relativa comprendida entre el 45 y el 60 %,

según el Manual de aire acondicionado Carrier. Según Cengel (2003), una forma más


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factor que aporte mayor ganancia de calor. En nuestro caso (Venezuela), se utiliza para el

caso de vidrios (anexo 3) para 10° latitud Norte.

Cálculo de la ganancia de calor solar por radiación a través de vidrios.

Son las ganancias de calor obtenidas a través de radiación solar sobre el vidrio. La

ganancia de calor así obtenida, va a depender de su situación geográfica (latitud), de la

fecha y hora, y de su orientación. “El cristal ordinario absorbe una débil proporción de la

radiación (5 a 6 %) y refleja o transmite el resto. La magnitud de calor reflejada y

transmitida depende del ángulo de incidencia” (Carrier: 1974). Los valores del anexo3,

“Solar Heat Gain Thru Ordinary Glass” comprenden los valores de la radiación, como el

porcentaje de calor absorbido por el cristal y transmitido al local. Por tanto, se calcula el

área ocupada por los vidrios de las ventanas en cada una de las orientaciones geográficas y

se multiplica por el factor de ganancia solar correspondiente a la tabla 15 correspondiente al

día y hora pico establecido anteriormente.

También se multiplica por otros factores dependiendo del tipo de vidrio, color y sombra

y/o dispositivos de sombra, que disminuyen la ganancia de calor (anexo 3), según la

relación:

q = A x solar Gain factor x factor de sombra


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ganancias no solo se van a deber a la diferencia de temperatura, sino también al calor

absorbido, por lo que dicho flujo varía según las diferencias de temperatura y de insolación.

Por lo tanto, se introduce el concepto de diferencia de temperatura equivalente, definida

como “la diferencia de temperatura entre el aire interior y exterior capaz de producir un

flujo de calor total a través de la estructura originado por la radiación solar variable y la

temperatura exterior” (Carrier: 1974); la cual toma en cuenta los materiales de

construcción, orientación, situación geográfica, y condiciones del proyecto. Este flujo se

calcula por la ley de transferencia de calor, mediante la relación:

q= U. A. Δte

Dónde:

q: flujo de calor BTU/h

U: coeficiente global de transmisión de calor en BTU/ (h*pie2*F)

A: área de la superficie en pie2

Δte: diferencia de temperatura equivalente en Fahrenheit.

Se calcula el área proyectada de la pared (sin incluir la ocupadas por las ventanas) en

cada una de las orientaciones según se ubiquen las paredes de la edificación con los puntos

cardinales. El área resultante se multiplica por los factores de las tablas de temperatura

equivalente, basadas en el color de la pared, el “pico”, el peso de la pared por superficie y

la orientación correspondiente (anexo 4). Los valores anteriores se multiplican también por


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no están en contacto directo con el sol. En el caso de vidrios, se considerará los de las

ventanas que estén o no bajo sol, es decir, todos los vidrios aun cuando estos estén bajo la

radiación directa del sol (vidrio exterior), es decir, donde haya una diferencia de

temperatura con el exterior o con un ambiente no condicionado. Para dicho calculo, se

determinan las áreas involucradas y se multiplican por las diferencias de temperatura

existente. Por la ley de transferencia de calor de Fourier, la ecuación a utilizar es:

q=U.A. Δt

Dónde:

q: flujo de calor BTU/h

U: coeficiente global de transmisión de calor en BTU/(h*pie2*F)

A: área de la superficie en pie2

Δt: diferencia de temperatura en Fahrenheit.

Cálculo de calor generado dentro del local.

Corresponden a la suma de las ganancias, tanto de calor sensible como de calor latente,

generadas dentro del local, sin tomar en cuenta las ganancias provenientes del aire exterior

impulsadas por el serpentín o por infiltraciones. Estas pueden ser generadas por: personas,

luces y artefactos entre otros, además de las provenientes por ganancias de calor solar y/o


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luz, mientras que otro 25% se disipa por radiación hacia las paredes y el resto por

conducción y convección. Para determinar la ganancia de calor, se aplican las siguientes

ecuaciones:

q luces fluorescentes = N° watts luces fluorescente x (3.41 Btu/h*watts) x 1,25

q luces incandescentes = N° watts luces incandescentes x (3.41 Btu/h*watts)

En el caso de los artefactos o aparatos eléctricos, solo emiten calor sensible en función

de su utilización, mientras que, a causa de la combustión, los aparatos de gas producen

calor latente suplementario.. Una de las formas para determinar también la carga del calor

de aparatos eléctricos, es multiplicar la potencia en vatios (anexo7) por 3.4 BTU/(watts x

h), según la relación:

q Artefactos = N° watts artefactos x (3, 41 Btu / h* watts)

Por otra parte, el motor del ventilador localizado en el serpentín del aparato de aire

acondicionado, se considera también para el cálculo de calor interno. La cantidad de BTU/hgenerado por este, se estima según la tabla de “Ganancia de calor por motores eléctricos”

(operación continua) del manual de fundamentos ASHRAE (1972) (anexo 8) en el

momento de realizar el cálculo se estima de cuantas toneladas va a ser el equipo, y se

selecciona un motor de X HP. Los valores admitidos de esta forma deberán verificarse

después del cálculo completo de la instalación, dependido del equipo escogido. Lasrelaciones utilizadas son:

Tabla 1 Relación entre la potencia del motor de un ventilador en HP y la capacidad


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Cálculo del calor proveniente del aire exterior.

Las ganancias de calor sensible provenientes del aire exterior (OASH) es igual al producto del caudal de aire fresco que entra al local en pies cúbicos por minuto, por la

diferencia de temperatura entre las condiciones externas y las internas del local, por un

factor de conversión tal como se muestra en la ecuación:

OASH = CFMoa x (t∞-tm) x 1, 08

Dónde:

OASH: ganancia de calor sensible por el aire exterior.

CFMoa: caudal de aire fresco o exterior.

t∞: temperatura del exterior.

tm: temperatura del interior.

La ganancia de calor latente del aire exterior (OALH) es igual al producto del caudal de

aire fresco que entra al local, por la diferencia de humedad específica entre las condiciones

exteriores e interiores, por un factor de conversión. En la relación siguiente se puede

apreciar.

OALH = CFMoa x (W∞-Wm) x 0,68

Dónde:

OALH: ganancia de calor latente por el aire exterior.


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Factor de calor sensible del local RSHF.

Factor de calor sensible total GSHF.

La temperatura del punto de rocío del aparato ADP.

Factor de bypass BF.

Factor de calor sensible efectivo ESHF.

Factor del calor sensible del local (RSHF).

Es la razón del calor sensible del local (RSH) entre el calor total del local (RTH), el cuales la suma del sensible más el latente (RLH). Y se determina por:

Factor de calor sensible total (GSHF).

Es la relación entre el calor sensible total y el balance térmico de la instalación,

incluyendo todas las cargas de calor sensible y latente que proceden del aire exterior. En

otras palabras, es la relación entre el calor sensible total (TSH) y el calor total (GTH), el

cual es la suma del calor sensible total y el latente total (TLH). Se determina según la

ecuación:


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iguales” (Carrier 1974). Utilizando la tabla 65 Carrier (1987) (Anexo 9), el valor del ESHF

y las condiciones interiores del diseño, se determina el punto de rocío del aparato (ADP).

Factor de Bypass (BF).

El factor de bypass representa el porcentaje de aire que pasa por el serpentín sin sufrir

cambio alguno, es decir, el porcentaje de aire que no toca la superficie del serpentín y que

por lo tanto no es enfriado, ya que, no se establece el intercambio de transferencia de calor.

Este factor depende del diseño o las características físicas del serpentín, por lo que su

superficie externa de intercambio (número de aletas por pulgada y numero de tubos) y la

velocidad con que el aire lo atraviesa (que influye con el tiempo de contacto con la

superficie) afectan el factor de bypass, de tal manera que, a una disminución de esta

superficie corresponde un aumento del BF y a una disminución de la velocidad corresponde

otra disminución del factor de bypass. El factor de bypass influye en el equipo, tal y como

lo expresa Carrier (1987) de la manera siguiente:

1.

Factor de bypass más bajo.

ADP más alto. Temperatura de evaporación más alta en el caso de equipos de

expansión directa.

Menor caudal de aire, y por lo tanto, motor y ventilador de menor potencia.

Mayor superficie de intercambio.


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Factor de calor sensible efectivo (ESHF).

El ESHF permite determinar el caudal y determinar los equipos más fácilmente, ya queeste relaciona el balance térmico con el ADP y el BF del equipo. El SHF efectivo es la

relación entre las ganancias sensibles efectivas del local y la suma de las sensibles y

latentes efectivas. Estas ganancias efectivas están constituidas por las ganancias del local

más las correspondientes a las del caudal de aire que pasa por el serpentín sin que su estado

se modifique. Se determina mediante la fórmula siguiente.

Obtención del caudal de aire exterior (CFMoa).

El caudal de aire fresco externo se puede seleccionar de varias formas, dependiendo del

criterio utilizado por el diseñador y las condiciones de diseño. Unas de ellos lo son:

Por medio de la tabla de requisitos para ventilación del manual de fundamentos de

la ASHRAE (Anexo 12), la cual se basa en el número de personas y la aplicación

del área a ser acondicionada. Simplemente se multiplica los (Pies3/min) /persona, de

la tabla, por la cantidad de personas y se obtiene el caudal CFMoa.

Por medio de la tabla del Carrier (1987) (Anexo 12) y el caudal por superficie

CFM/pie2, la cual se utiliza para determinar los caudales de aire fresco mínimos y

recomendados según la aplicación considerada. También se utiliza la relación


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PCMt: Pie Cubico por minuto de aire tratado:

Temperatura del bulbo húmedo a la entrada de la mezcla (WB1):

Este se calcula de la siguiente manera:1. Se ubican los puntos de bulbo seco exterior sobre la curva de humedad relativa 60% y

bulbo seco interior sobre la curva de humedad relativa 50%.

2. Se traza una línea interceptando los puntos hallados en el paso anterior.

3. Se ubica el punto de la temperatura del bulbo seco de entrada de la mezcla DB1, y se

intercepta el mismo con la línea trazada en el paso anterior.

4. Luego de ubicado el DB1 sobre la línea, vamos en forma inclinada ascendente izquierda,

y con esto obtenemos la temperatura del bulbo húmedo de entrada WB1.

Temperatura del bulbo seco a la salida de la mezcla (DB2)

Esta se calcula de acuerdo a la siguiente forma:


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Distribución de aire

En el diseño de un sistema de distribución de aire (ductería) de un ambiente, es

importante el cálculo de sus dimensiones a lo largo de toda su longitud, pues la variación de

la sección está en función del caudal de aire a entregar en cada ambiente que requiera de

aire acondicionado. De acuerdo con la información suministrada por Brito, C. (2007) en su

libro titulado Manual de Aire Acondicionado y Refrigeración, se imponen como pasos a

seguir los siguientes, para la realización de este diseño:

1. Trazar la red de ductos (unificar en plano). Estos deben seguir en lo posible la ruta

más directa, considerando la facilidad en el montaje y evitando a su vez los cambios

de dirección pronunciados, y recomendándose centrar en cada ambiente la descarga

del ducto.

2. Establecer la carga térmica por ambiente para obtener el caudal de aire

acondicionado necesario por el ambiente, esto se obtiene relacionando la carga

térmica total obtenida con los metros cuadrados totales del ambiente que se está

acondicionando.

3.

Calcular el tamaño de cada una de las secciones de la ductería de acuerdo uno de los

tres métodos existentes, ya sea el método de velocidad constante, fricción constante

o el método de recuperación estática.

Definido por el Manual de Aire acondicionado Carrier (1972), la misión de un sistema


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Métodos de cálculo de ductos.

Por regla general, en el proyecto de cualquier sistema de conductos, se procura que en el

tendido de conductos sea lo más sencillo posible y simétrico (Carrier, 1972). Los elementos

terminales o bocas de impulsión se sitúan en puntos adecuados para proporcionar una

correcta distribución del aire. Los conductos se tienden para conectar estas salidas, evitando

las obstrucciones del edificio, o del equipo industrial en su caso. El cálculo de un sistema

de baja velocidad puede hacerse por uno de los tres métodos siguientes:

1. Asignación de velocidad.

2. Igualdad de pérdidas por rozamiento o pérdidas de carga constante.

3. Recuperación estática.

El método de pérdida de carga constantes es el más recomendado y con el cual se realizó

el diseño para efectos de este trabajo.

Método de pérdida de carga constante o de igual fricción.

Este método se basa en establecer una misma perdida de presión por unidad de longitud

para todo el sistema de ductos. El procedimiento de cálculo consiste primeramente en fijar

una velocidad inicial, como lo establece la tabla de velocidades máximas recomendadas por


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juicio, ya que los niveles de ruido y caída de presión permisible pueden variar notablemente

con el uso del espacio, la ubicación de obstáculos y altura disponible para el montaje. Se

sugiere tomar las siguientes consideraciones:

1.

El sonido por las rejillas mismas es insignificante hasta los 800ppm de velocidad. El

sonido de ventiladores y vibraciones a través de los ductos pueden ser transmitidos

a los espacios ocupados, se debe considerar el aislamiento, tanto acústico como de

vibraciones.

2.

Velocidades de aire en un espacio, por debajo de 15ppm, producen una sensación de

estancamiento, velocidades por encima de 65 ppm, crean corriente de aire, que

molestan.

3. Puede ser necesario desviar el aire hacia arriba cuando las salidas están colocadas

mucho más abajo del techo, para que se obtengan tiros de aire adecuados.

Cálculo de las dimensiones de las rejillas y difusores para suministro, retorno y/o

extracción.

Para determinar las dimensiones de las rejillas, se debe conocer el caudal de aire que se

va a utilizar en el diseño. Este puede ser el que se determinó con el cálculo térmico y las

relaciones psicométricas, en el caso en que se utilice un equipo “mandado a hacer” o el que

se obtiene en los catálogos de los fabricantes con equipos ya existentes. Luego los pasos a

seguir son los siguientes:


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habitación a criterio, considerando las cargas térmicas en cada zona o área en base a

ventanales, luces, número de personas y actividades que realizan, tal como se

consideró en el cálculo térmico, con el fin de determinar las áreas donde haya

mayor o menor ganancia de calor.

5.

Luego se utiliza los catálogos de rejillas para determinar las dimensiones tentativas

de cada una. Esta elección se hará de tal forma que no se exceda la velocidad del

diseño. Este paso, se puede seleccionar los caudales de aire que van a ser

suministrado a criterio, ya que puede ser que no haya rejilla de un tamaño en

específico para un caudal de aire definido entonces a criterios se puede repartir el

caudal de tal manera que se pueda lograr una buena distribución de aire.

6. En el momento en que se determine el tamaño de los ductos, se puede elegir la

rejilla que mejor se acople al ducto. Para determinar las dimensiones de las rejillas

de retorno o extracción, si se elige utilizar una sola, central, entonces se selecciona(de los catálogos o de bibliografía especializada) con el caudal de aire suministrado

por el equipo y la velocidad de diseño. Ahora si es más de una, entonces se usa un

criterio parecido al utilizado para el suministro. Lo importante es lograr que haya

una buena circulación del aire. En el caso de utilizar rejillas de extracción, y que se

requiera lograr una presión positiva en el área respecto a otras adyacentes, se debenextraer un porcentaje del aire de suministro y no todo completo. Se suele utilizar

para dicho cálculo el 85% o 90% del aire suministrado


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Equipos de expansión directa.

Se emplean en instalaciones de pequeñas y medianas potencia, su condensación

generalmente es por aire y los compresores que utilizan pueden ser del tipo hermético,

semi-hermético, tornillos o skroll, dependiendo de la capacidad del equipo, utilizan como

refrigerante el R – 2 o R – 22, aunque hoy en día existen equipos con refrigerantes R-134ª y

R-410ª.

Los sistemas de expansión directa se clasifican en:

Equipos de Ventana.

Equipos Compactos

Equipos Split (Divididos).

Equipos especiales.

Equipos de ventana.

Es uno de los equipos más difundido, y se utiliza para acondicionar un solo ambiente.

Son de condensación por aire, esta parte (condensador) queda fuera del local que esta

acondicionado. Estos equipos tienen controles de temperatura, velocidad del aire y

dirección de flujo de aire. Los equipos de ventanas en el mercado se les conocen según sucapacidad en BTU. Ejemplos: equipo de 15000BTU, 18000BTU, 27000BTU.

Algunas consideraciones que se deben tener para su instalación: colocar el punto


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equipo debe ser accesible para el mantenimiento, se debe colocar en una base que lo proteja

y que aislé sus vibraciones, el condensador debe tener una descarga libre del aire caliente,

la conexión entre el equipo y la ductería debe ser a través de una conexión flexible que no

transmita la vibración al ambiente que se está acondicionando.

Equipos Split (dividido).

Este es otro equipo industrial que permite la distribución del aire por medio de ductería,

como su nombre lo indica está dividido en dos unidades, evaporador y condensador, unidas

por tuberías de cobre de alta y baja presión de gas refrigerante.

El evaporador es la unidad interior que contiene el intercambiador de calor donde el gas

se evapora así como el elemento de expansión (tubo capilar o válvula de expansión).

El condensador, contiene el intercambiador de calor donde el gas refrigerante se

condensan, así como el compresor, y los elementos de fuerza y control, esta unidad debe

colocarse siempre en el exterior.


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CAPÍTULO III

MARCO METODOLÓGICO

Naturaleza de la investigación

El presente trabajo de investigación es un estudio enmarcado en un proyecto factible el

cual según el Manual de Trabajos de Grado de Especialización y Maestría y Tesis

Doctorales, UPEL(2006) se define como “la investigación, elaboración y desarrollo de una

propuesta de un modelo operativo viable para solucionar problemas, requerimientos o

necesidades de organizaciones o grupos sociales; puede referirse a la formulación de

políticas, programas, tecnologías, métodos o procesos. El Proyecto debe tener apoyo en una

investigación de tipo documental, de campo o un diseño que incluya ambas

modalidades.”(p.13), apoyándose en una investigación descriptiva – documental, en el cual

se estudiara la necesidad de un sistema de acondicionamiento de aire buscando de esta

manera la solución de un problema practico, donde se estudian detenidamente todas las

situaciones existentes en torno al problema mediante un estudio diagnóstico, para así

formular el modelo operativo que se llevara a cabo para la solución del mismo de acuerdo a

la demanda de la realidad abordada.

Este trabajo responde a la necesidad que presenta una empresa de producción alimenticia


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FASES DEL PROYECTO

Fase I diagnóstico de la situación actual de los laboratorios

Se establecerán las condiciones actuales del ambiente dentro de las áreas sin

acondicionar, así como los requerimientos necesarios y las dimensiones del espacio en

estudio. Esto se realizara mediante:

Observación Directa: Según Sierra (1991), “Es la inspección y estudio realizado

por el investigador, mediante el empleo de sus propios sentidos, especialmente el de

la vista, con o sin ayuda de aparatos técnicos, de las cosas y hechos de interés

social, tal como son o tienen lugar espontáneamente en el tiempo en que acaecen y

con arreglo a las exigencias de la investigación científica”. (P. 253).

Entrevistas: según Buendía, Colás y Hernández citado por González (2009), es “la

recogida de información a través de un proceso de comunicación, en el transcurso

del cual el entrevistado responde a cuestiones previamente diseñadas en función de

las dimensiones que se pretenden estudiar planteadas por el entrevistador” (p.83).

Las entrevistas se dividen en estructuradas, semiestructuradas o no estructuradas o

abiertas. Las primeras o entrevistas estructuradas, son aquellas en que el

entrevistador se vale de una guía de preguntas específicas y se sujeta

exclusivamente a estas. Por el contrario, las entrevistas semiestructuradas, se basan


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Se consultará con el ingeniero representante de la empresa cuales son los

requerimientos ambientales que tienen cada uno de los laboratorios de la empresa,

mediante entrevista estructurada.

Se estimará las características físicas que deberá tener el sistema para tener una

adecuación al espacio físico disponible en el sitio.

Se establecerán las variables de diseño necesarias para el desarrollo de este sistema.

Fase II factibilidad técnico-operativa de la implementación del diseño de

Acondicionamiento de aire

A partir del diagnóstico y evaluación de la propuesta, se consultara con algunos

expertos en la rama de Ingeniería Mecánica, con el fin de obtener recomendaciones acerca

de los materiales más empleados en la elaboración de sistemas de acondicionamiento de

aire, de los criterios de diseño empleados más comúnmente, así como también de los costos

que implicarían en la elaboración del sistema.

Acciones:

Se evaluará la disponibilidad del material necesario para la elaboración del proyecto

en el mercado nacional.

Se realizará una evaluación de los costos de los materiales, así como de la mano de

obra capacitada para la elaboración de la propuesta.


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Se seleccionará la alternativa más adecuada y que cumpla con los requisitos

planteados según versatilidad, funcionalidad, economía entre otros.

Calculo de la carga térmica, la cual se realizara en cada uno de los ambientes

pertenecientes a los laboratorios con condiciones externas e internas extremas, y de

esta manera el diseño pueda cumplir con todas las exigencias.

Calculo del caudal de aire requerido, esto para crear un ambiente de confort para

cada una de las personas que se encuentren dentro de los laboratorios como cumplir

con las exigencias ambientales de estos, además de prever el buen funcionamiento

del sistema, ya que esta variable influye en el mismo.

Calculo de las dimensiones de los ductos, los difusores y rejillas, por donde el

caudal del aire requerido va a circular para proporcionar comodidad a cada uno de

los ambientes de la empresa.

Selección de los equipos de acondicionamiento de aire, de tal manera que estos seadecuen a las exigencias del sistema, en cuanto a su capacidad y a lo que se

requiera.

Se establecerán las especificaciones del diseño, como materiales, medios de

sujeción, y todas las características necesarias para definirlas.


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CAPITULO IV

ANÁLISIS DE LOS RESULTADOS

Fase I diagnóstico de la situación actual de los laboratorios

Para el desarrollo de esta fase del proyecto fue indispensable realizar evaluación de

planos y levantamientos en 3D que permitió corroborar las características arquitectónicas y

de funcionalidad del área destinada para laboratorios de la empresa de producción

alimenticia la cual fue información de suma importancia para determinar la eficiencia que

puede tener el diseño.

Todo esto antes mencionado nos permite y nos garantiza obtener un proyecto que se

ajuste a las características de la instalación con la finalidad de solucionar el problema planteado.

El estudio de los planos y levantamiento que fueron facilitados por arquitectos e ing.

Civiles que se encuentran trabajando en los laboratorios que hasta la fecha estos se

encuentran en la fase de proyecto, fue con el fin de tomar los datos de las mediciones que

más adelante se corroboraran con las medidas indicadas en los planos de la obra, ademásfueron proporcionados los tipos de materiales a utilizar, detalles tanto arquitectónicos como

técnicos y medioambientales entre otras cosas los cuales servirán como dato indispensable


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Ambiente Interior: 72°F, temperatura que se desea alcanzar para logra un

ambiente de confort dentro de los diferentes ambientes de laboratorios de acuerdo a

Miranda, A. (2007) en su libro Técnicas de Climatización (grafico de temperatura y

humedad de confort mostrada en el anexo 1).

Humedad relativa: Ambiente exterior: 60%, obtenida de la misma manera que la temperatura de

bulbo seco del ambiente exterior.

Ambiente interior: 50%, valor ideal de humedad relativa para lograr un ambientede confort dentro de los diferentes ambientes de los laboratorios de acuerdo a

Miranda, A. (2007) en su libro Técnicas de Climatización (anexo 1).

Conociendo los dos valores mencionados anteriormente, se pueden obtener el resto de

los valores de los cuales depende el logro del confort en un ambiente determinado, esto con

el empleo de un programa de carta psicrometría proporcionado por la marca TRANE,

fabricantes de equipos de acondicionamiento de aire (anexo 2). Estos valores son los

siguientes:

Temperatura de bulbo húmedo: Ambiente exterior: 81,13°F.

Ambiente interior: 59.74°F

Punto de rocío:

Ambiente exterior: 77,23°F.


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El planteamiento del diseño de un sistema de acondicionamiento de aire por

expansión directa para una serie de laboratorios, cumple con los requerimientos de

condiciones ambientales e higiene especifica como también con las necesidades de confort

de las personas que allí estarán realizando algún tipo de trabajo. Dicho proyecto es factible

técnicamente, puesto que se encuentra sustentando por un gran número de bibliografías

referentes al área de acondicionamiento de aire, como lo son libros y manuales de aire

acondicionado, catálogos tanto de los equipos a instalar como de otras partes importantes

para el sistema, normas, entre otros instrumentos y reseñas digitalizadas, fáciles de acceder por la web, en los cuales explican acerca de cada una de las diferentes técnicas y métodos

para los cálculos de los sistemas de acondicionamiento de aire. Y es económicamente

factible, puesto que, todos los recursos necesarios para la construcción del sistema, se

encuentran comercializados en el mercado nacional por sus empresas distribuidoras.


laboratorios

Estimación de la carga térmica

Con la ayuda de los planos arquitectónicos y el levantamiento 3D, se pudo determinar

una serie de datos necesarios para el cálculo de carga térmica de los diferentes ambientes,estos cálculos se realizaron con la utilización de una hoja de cálculo de carga térmica

diseñada en Excel correspondiendo una hoja para cada zona sean estas la zona 1


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multiplica el área de la ventana por el valor de ganancia solar a través de vidrio, tabla 15

del Carrier (1987) (Anexo 3), y finalmente por un factor de sombra, de la tabla 16 del

Carrier (1987) (Anexo 5). Como sigue:

Tabla 2. Ganancia de calor a través de vidrio

Orientación de

VentanaÁrea ( ft2)

Factor de Ganancia

de calor (°F)Factor U Q (Btu/hora)

Sur 64,55 14 0,56 506

La autora (2015).

Ganancia de calor solar y transmisión a través de puertas externas.

En este laboratorio a acondicionar, se encuentra expuesta al ambiente exterior

solamente una puerta con orientación hacia el oeste entre todas las paredes que constituyen

el área, el resto son puertas partición que son tomadas en cuenta en otro tipo de cálculo.

Este dato se obtiene de igual manera, por medio de la Ley de Fouriercomo sigue:

Tabla 3. Ganancia de calor solar y transmisión a través de puertas externas.Orientación de

puertaÁrea ( ft2)

Factor de Ganancia


Oeste 21,81 163 0,69 2453

Ganancia de calor solar y transmisión a través de paredes externas y techo externo


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Para saber la del techo, se emplea las tablas de la ASHRAE (Anexo 5). Se necesitasaber:

o Si el techo es soleado o en sombra.o

El peso del techo. Ver tablas del Carrier (1987) (Anexo 5).

Y U es el coeficiente global de transmisión a través de paredes y techo, tablas del

Carrier (1987) (Anexo 5). Los valores se muestran a continuación:

Tabla 4.Ganancia de calor solar y transmisión a través de paredes externas.

Orientación de pared

Área ( ft2) Factor de Gananciade calor (°F)

Factor U Q (Btu/hora)

Sur 578,78 19,90 0,40 4607

Este 169,03 21,30 0,40 1440

Oeste 101,45 43,91 0,40 1782

La autora (2015)Tabla 5.Ganancia de calor solar y transmisión a través de techo externo.

TechoÁrea ( ft2)

Factor de Ganancia


780,83 42,11 0,51 16769

La autora (2015)


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Tabla 6.Ganancia de calor por transmisión.

Tipo de División Área ( ft2)Factor de Ganancia

de calor (°F)

Factor U Q (Btu/hora)

Pared 671,02 21,60 0,40 5798

Puerta 18,07 21,60 0,69 269

La autora (2015).

Calor sensible dentro del local o calor interno.

Como se ha mencionado a lo largo de este trabajo, el calor interno es producto de

diversos factores presentes en el ambiente a ser acondicionado, como es el caso de las

personas, las luces que iluminan dicho ambiente, los artefactos eléctricos u otros equipos

presentes en el área los cuales consumen energía .

Las personas que ocupan el recinto generan calor sensible y calor latente, debido a la

actividad que realizan y a que su temperatura es mayor que la que debe mantenerse en el

local. Cuando se habla de personas que ocupan el local, se refiere al número medio de

personas que lo ocupan, no a las personas que puede haber en un instante determinado.

En la tabla 48 del Carrier (1987) (Anexo 6), se encuentra la información requerida, del

factor de calor sensible y calor latente, según el tipo de actividad que realicen las personas

en el local. Este valor obtenido en la tabla, bastará multiplicarlo por el número de personasdel local.


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Q luces fluorescentes = N° watts luces fluorescente x (3.41 Btu/h*watts) x 1,25

Q luces incandescentes = N° watts luces incandescentes x (3.41 Btu/h*watts)

Donde los Ing. Electricista que se encuentran trabajando en el proyecto en la parte

eléctrica de los laboratorios suministraron la potencia y número de lámparas incandescentes

a colocar en cada ambiente y así se obtiene lo siguiente:

Tabla 8. Calor generado por iluminaria

Número de lámparas Watt/Lámpara Total (Watt) Q (Btu/hora)

14 76 1064 3628,24

La autora (2015).

Calor generado por Artefactos y equipos mecánicos:

Los artefactos que deberán estar presentes en estas oficinas en el momento de ser

ocupadas solo emiten calor sensible en función de su utilización, mientras que, a causade la combustión, los aparatos de gas producen calor latente suplementario. El Carrier,

1965 permite determinar la ganancia de vida a diversos aparatos y motores eléctricos. Una

de las formas para determinar también la carga del calor de aparatos eléctricos, es

multiplicar la potencia en vatios por 3,4 Btu/ (watts x h), según la relación:

q Artefactos = N° watts artefactos x (3, 41 Btu / h* watts), de donde se obtiene lo siguiente:Tabla 9. Potencia por artefactos y equipos mecánicos

Equipo o artefacto Cantidad Potencia Watt/equipo Potencia total (Watt)


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Continuación de Tabla 9.

Vidas 4 1548 6192

Incubadora 2 650 1300

Vitrina Refrigerada 1 745 745

Estufas 6 1200 7200

La autora (2015).

Tabla 10. Calor Total generado por artefactos y equipos mecánicos.

Calor sensible total (Watt) Factor de conversión (Btu / h* watts) Q (Btu/hora)

23914 3,41 81546,74

La autora (2015).

Calor Sensible del local (RSH).

Es el resultado de la sumatoria del calor debido a la transmisión solar a través de vidrios,

paredes, techo, particiones, y el calor producido por personas, luminarias, artefactos,

maquinarias u otras fuerzas que se encuentren dentro del ambiente, es decir, es la suma de

todas las ganancias de calor sensible, por lo tanto se tiene que:

RSH: 121239 Btu/hora

Calor latente dentro del local (RLH).

El calor latente se debe a la productividad de las personas y otro tipo de trabajos


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Cálculo del caudal de aire exterior.

Es necesario en los locales acondicionados, prever un cierto caudal de aire exterior que

permita la supresión de olores debido a los ocupantes u otras fuentes, esto varía de acuerdo

al uso estipulado del ambiente, para el cálculo de del caudal de aire exterior, se utiliza la

tabla de la ASHRAE (Anexo 11), seleccionando un valor recomendado en base al uso que

tendrá el ambiente, este valor se multiplica por el número de personas previamente

estimadas.

Tabla 12. Caudal de aire exterior.

Número de personas Ft /minuto*persona CFMoa

8 15 120

La autora (2015).

Cálculo de calor latente de aire exterior (OALH).

Para el caso de la ganancia de calor latente por el aire exterior, la misma se obtiene por

medio de la misma cantidad de caudal de aire fresco calculada anteriormente,

multiplicándola por la diferencia de humedad especifica existente entre el ambiente interior

a acondicionar y el ambiente exterior, y por un factor de conversión a BTU/h, como sigue:

OALH = CFMoa x (W∞-Wm) x 0,68OALH = 120x (142,4- 57,8) x0, 68 = 120x 84,6x0, 68= 6903 Btu/hora


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Calor sensible total (TSH).

Es el resultado de la suma del calor sensible del local y el calor sensible del aire

exterior:TSH= 124038 Btu/hora

Calor latente total (TLH).

Es el resultado de la suma del calor latente del local y el calor latente del aire exterior:

TLH= 11263 Btu/hora

Calor total (GTH).

Representa el calor total dentro del local y se obtiene mediante la suma de las cargassensibles totales y las cargas latentes totales:

GTH= 135301 Btu/hora

Análisis psicométrico para la obtención de las condiciones del aire deimpulsión.

Factor de calor sensible del local (RSHF).

Como se explicó anteriormente, este factor es la razón entre el calor sensible del

local y el calor total del local, por lo tanto se tiene que:


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Factor de calor sensible efectivo (ESHF).

La determinación del factor de calor sensible efectivo es de vital importancia, ya

que permite determinar el caudal de aire a impulsar y seleccionar el equipo con mayor

facilidad, debido a que este factor relaciona el balance térmico con la temperatura del

punto de rocío del serpentín y el factor de bypass. Este factor se logró determinar

mediante la expresión:

Dónde:

ERSH: ganancia sensible efectiva del local

ERLH: ganancia latente efectiva del local

ERSH= 121239 + 0,1x 2799 = 121519Btu/hora

ERLH= 4360+ 0,1x 6903 = 5050,3Btu/hora

Finalmente:

ESHF= 121519/(121519+5050,3) = 0,96


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CFMt = 121519/(1,08x (1-0,1) x (72-51,7)) = 6159

Cálculo del caudal de aire impulsadoCFMra

CFMra= CFMt- CFMoa

CFMra=6159-120 = 6039

Temperatura de bulbo seco a la entrada de la mezcla (DB1).

Dónde:

CFMoa:Caudal de aire exteriorToa: Temperatura del aire exterior

CFMra: Caudal de aire impulsado

Trm: Temperatura interior del ambiente

CFMt: Caudal de aire tratado

Así:DB1= ((120x93, 2)+ (6039x72))/6159= 72,41°F

T d b lb hú d l d d l l (WB )


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húmedo de la mezcla a la entrada del serpentín (WB1). Para este caso en específico,

se obtuvo el siguiente resultado:

WB1 = 61 °F

Temperatura de bulbo seco a la salida de la mezcla (DB2).

Esta temperatura se puede calcular mediante la siguiente expresión: DB2=ADP + BF x (DB1 - ADP)

DB2=51, 7 + 0, 1* (72, 32-51, 7) =53, 76°F

Temperatura de bulbo húmedo a la salida de la mezcla (WB2).

De manera general, se calcula de la siguiente manera:

1.

Se ubica la temperatura equivalente del punto de rocío del serpentín (ADP) sobre la

escala de temperatura del bulbo húmedo en la carta psicrométrica, y se une con el

punto de ubicación de la temperatura de bulbo seco de la mezcla a la entrada del

serpentín (DB1) a través de una línea.

2. Se ubica la temperatura del bulbo seco de la mezcla a la salida del serpentín (DB2),

y con una línea vertical se intercepta con la línea trazada en el paso anterior.

3. Luego de ubicarse la temperatura sobre la línea, se lleva este punto en forma

inclinada ascendente, de derecha a izquierda hacia la escala de temperatura de bulbo

húmedo de la carta psicrométrica, y con esto obtenemos la temperatura del bulbo


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Análogamente se realizaron los cálculos de carga térmicas para la zona 2 comprendida

por las áreas Aduana, Pesaje, Esterilización y Lavado obteniendo para cada área un

estimado requerido de toneladas de refrigeración, luego estas sumándose para saber el total

requerido para la zona 2 ya que la propuesta es colocar un mismo equipo de

acondicionamiento de aire para toda la zona por la similitud de estas en cuanto a uso del

espacio. Las TR obtenidas son:

Aduana: 0,52 TR

Esterilización: 2,2 TR Lavado: 2,2 TR

Pesaje: 1,2 TR

La capacidad total de toneladas de refrigeración para la zona 2 es de TR=6,12.

Los Cálculos también se realizaron mediante la utilización del software “Hourly

Analysis Program” proporcionado por Carrier.

El programa de análisis de horarios de Carrier HAP son dos poderosas herramientas en

un solo paquete. HAP ofrece funciones versátiles para el diseño de

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