Facultad de Ingeniería Industrial y

Mecánica

Carrera profesional de Ingeniería Mecánica

Tesis para optar el Título Profesional de Ingeniero

Mecánico

“Propuesta del Sistema de Aire

Acondicionado utilizando el Control de

Temperatura Honeywell T7350, para

Ahorro de Energía en la Empresa TLI

Aduanas SAC”

Bachiller:

Mamani Tunque, William

Lima – Perú

2016

II

DEDICATORIA

A gracias a Dios, por iluminar y guiar mi camino, a

mis padres, familia porque a pesar de los obstáculos

que presenta la vida siempre me dieron su apoyo en

los momentos más difíciles de mí carrera todo se

debe a ellos mis grandes tesoros en esta vida.

III

AGRADECIMIENTO

A mi alma mater, Universidad Tecnológica del Perú,

además a SENATI y GAMOR, por darme la

oportunidad de ser un ingeniero y técnico capacitado

para solucionar los problemas que presenta mi país.

IV

INDICE

RESUMEN ........................................................................................................................................ 13

INTRODUCCIÓN.............................................................................................................................. 15

CAPÍTULO I ..................................................................................................................................... 17

ASPECTOS GENERALES .............................................................................................................. 17

1.1. Descripción de la empresa ............................................................................... 18

1.2. Descripción del problema ..................................................................................... 19

1.2.1. Problema general ........................................................................................... 19

1.2.2. Problemas específicos ................................................................................... 20

1.3. Objetivos .............................................................................................................. 20

1.3.1. Objetivo general ............................................................................................. 20

1.3.2. Objetivos específicos ..................................................................................... 20

1.4. Justificación e Importancia ................................................................................... 21

1.5. Limitaciones ......................................................................................................... 22

CAPÍTULO II .................................................................................................................................... 23

MARCO TEÓRICO .......................................................................................................................... 23

2.1. Refrigeración y aire acondicionado ....................................................................... 24

2.1.1. Historia de la refrigeración y el aire acondicionado ........................................ 24

2.1.2. Ciclo de Carnot para refrigeración ................................................................ 26

2.1.3. Ciclo por compresión de vapor ...................................................................... 28

2.1.4. La carta psicométrica ..................................................................................... 32

2.1.5. Diagrama de Mollier ....................................................................................... 37

2.2. Sistema del aire acondicionado ............................................................................ 38

2.2.1. Definición del aire acondicionado .................................................................. 38

2.2.2. Clasificación de los equipos de aire acondicionado ...................................... 39

2.2.3. Diseño de ductos de aire acondicionado y ventilación ................................... 46

2.2.4. Tabla de ábaco de ductos pequeños ............................................................. 49

2.3. Conceptos de software para cálculos de ductos ................................................... 51

2.3.1. Reglamento nacional de edificaciones ........................................................... 53

2.3.2. Método como calcular el costo de los ductos ................................................. 54

2.4. Controles de temperatura (termostatos) ............................................................... 54

2.4.1. Termostato Honeywell programable T7350 .................................................... 55

V

2.4.2. Aplicaciones del termostato programable....................................................... 57

2.5. Software para uso de control de equipos de aire acondicionado y refrigeración ... 58

2.6. Accesorios electromecánicos que trabajan con el control de temperatura Honeywell

T7350 .......................................................................................................................... 63

2.6.1. Dampermotorizados ....................................................................................... 63

2.6.2. Válvula de agua de 3 Vías y 2 Vías ............................................................... 64

2.6.3. Sensor de movimiento .................................................................................. 67

2.6.4. Contactores eléctricos y fan relé ................................................................... 68

2.7. Cálculo de carga térmica para equipos de aire acondicionado ............................. 72

2.7.1. Método 1 Para climas templados .................................................................. 73

2.7.2. Método 2 Para climas tropicales ................................................................... 74

2.7.3. Método 3 Cálculo practico de carga térmica .................................................. 75

2.7.4. Método 4 Cálculo básico de la capacidad de un climatizador......................... 76

CAPÍTULO III ................................................................................................................................... 79

METODOLOGÍA DE SOLUCIÓN .................................................................................................... 79

3.1. Metodología de solución ...................................................................................... 80

3.1.1. Tipo de investigación ..................................................................................... 80

3.1.2. Nivel de investigación .................................................................................... 80

3.1.3. Diseño de investigación ................................................................................ 80

3.2. Hipótesis de investigación .................................................................................... 80

3.2.1. Hipótesis general ........................................................................................... 80

3.2.2. Hipótesis especificas ..................................................................................... 80

3.3. Variables .............................................................................................................. 81

3.3.1. Variable dependiente ..................................................................................... 81

3.3.2. Variable independiente .................................................................................. 81

3.4. Indicadores ........................................................................................................... 81

3.5. Matriz de consistencia .......................................................................................... 82

3.6. Operacionalización de variables ........................................................................... 84

3.7. Diseño de instalación del equipo de aire acondicionado ...................................... 85

3.7.1. Cálculo de carga térmica con el método 1 ..................................................... 88

3.7.2. Cálculo de carga térmica con el método 2 ..................................................... 92

3.7.3. Cálculo de carga térmica con el método 3 .................................................... 94

3.7.4. Cálculo de carga térmica con el método 4 .................................................... 96

3.7.5. Selección del equipo de aire acondicionado .................................................. 98

3.8. Diseño del ducto para el aire acondicionado a instalar ....................................... 104

VI

3.9. Procedimiento de instalacion y uso del control de temperatura honeywell T7350

(programable) ............................................................................................................ 111

3.9.1. Pasos para programar el termostato en el area a climatizar ........................ 117

3.10. Procedimiento de instalación y uso del software webstat con los termostatos

T7350 ........................................................................................................................ 122

3.10.1. Instalación y procedimiento del termostato con el servidor WebStat .......... 123

3.11. Calculo con los 3 tipos de instalación de controles de temperatura .................. 128

3.11.1. Consumo de energía de la unidad con el termostato no programable

convencional (proyecto A) ..................................................................................... 128

3.11.2. Consumo de energía de la unidad con el termostato programable Honeywell

T7350 (proyecto B) ................................................................................................ 132

3.11.3. Consumo de energía de la unidad con el termostato programable Honeywell

T7350 y un sensor de movimiento (proyecto C) ..................................................... 135

CAPÍTULO IV ................................................................................................................................. 139

ANÁLISIS DE RESULTADOS ....................................................................................................... 139

4.1. Análisis y presentación de resultados ................................................................. 140

4.1.1. Presentación del consumo mensual en kWh ................................................ 140

4.1.2. Presentación del consumo mensual en kWh en porcentajes........................ 141

CAPÍTULO V .................................................................................................................................. 142

EVALUACIÓN ECONÓMICA ........................................................................................................ 142

5.1. Comparación de los 3 sistemas de instalación del aire acondicionado ............... 143

5.2. Análisis de comparación económica de los proyectos A, B y C. ...................... 147

5.3. Diferencias económicas finales en los proyectos A, B y C. ............................. 148

5.4. Utilización del VAN y TIR para realizar comparaciones económicas en los

proyectos A, B y C. ................................................................................................ 149

CONCLUSIONES........................................................................................................................... 154

RECOMENDACIONES .................................................................................................................. 155

BIBLIOGRAFIA.............................................................................................................................. 156

ANEXOS ........................................................................................................................................ 159

VII

LISTA DE SIMBOLOS

BTU Unidad térmica inglesa

Ca Columna de agua

CFM Pies cúbicos por minuto

cm Centímetros

cm2 Centímetros cuadrados

ºC Grados centígrados

ºF Grados fahrenheit

Ft Pies

Ft2 Pies cuadrados

FPM Pies por minuto

Hr Hora

ºK Grados Kelvin

Lb Libras

m Metro

m2 Metros cuadrado

m3 Metros cúbicos

m/s Metros por segundo

m3/s Metros cúbicos por segundo

Hp Caballos de fuerza

kW Kilowatts

Seg Segundos

Kg Kilogramos

P Potencia

Pulg Pulgadas

RPM Revoluciones por minuto

TON o TR Toneladas de refrigeración

UMA Unidad manejadora de agua

V Velocidad

W Watts

A Área

TBS Temperatura de bulbo seco

TBH Temperatura de bulbo húmedo

kcal Kilocalorías

a Longitud de un lado del ducto

b Longitud de un lado adyacente del ducto

VIII

LISTA DE FIGURAS

Figura 1.1. Vista frontal y plano de ubicación de la empresa……………………..……………………….…...…..18

Figura 1.2. (a) Plano segundo nivel. (b) Plano del área comercial……………………………..……………….....19

Figura 2.1. Antigua forma de climatizar a las personas……………………………………………..……...……….24

Figura 2.2. Ciclo de Carnot de la Refrigeración………………………………………………..………………...…..26

Figura 2.3. Ciclo por comprensión de vapor en refrigeración……………………………………….……………...28

Figura 2.4. Diagrama Presión – Entalpia………………………………………..……………………………..……..29

Figura 2.5. Clasificación de los refrigerantes………………………………………………..……..………………...31

Figura 2.6. Diagrama de la carta psicométrica para temperaturas normales………….………………………....33

Figura 2.7. Ubicación de temperatura de bulbo seco……………………………………………………….………35

Figura 2.8. Ubicación de temperatura de bulbo húmedo…………………………………..……………………….35

Figura 2.9 Ubicación de humedad relativa…………………………………………………………..……………….35

Figura 2.10. Ubicación líneas de granos de humedad………………………………………..……………..………36

Figura 2.11. Ubicación de contenido total de calor……………..……………...………………………………..…..36

Figura 2.12. Ubicación de la velocidad del aire…………………….……………….………………..……………...36

Figura 2.13. Diagrama de Mollier……………………………………………………..………………..……………...37

Figura 2.14. Zona de confort de invierno y verano...………………………………….………..……………………39

Figura 2.15. Aire acondicionado tipo ventana……………………………………………………..…………………40

Figura 2.16. Aire acondicionado tipo split ducto……………………………………….…………..…………………41

Figura 2.17. Aire acondicionado tipo split decorativo...………………………………….………..…………………42

Figura 2.18. Aire acondicionado tipo paquete……………………………………………………..…………………43

Figura 2.19. Equipo de aire acondicionado chiller enfriados por aire y enfriado por agua………………..….…44

Figura 2.20. Mantenimiento de la unidad condensadora…………………………………………..………………..45

Figura 2.21. Monitoreo de amperaje y voltaje de la unidad condensadora………………………..……………...46

Figura 2.22.Termostato honeywell programable T7350……..…….………………………….….…………...…….56

Figura 2.23. Diagrama eléctrico de conexión de termostato honeywell T7350...…………………...……...…….57

Figura 2.24. Diagrama de funcionamiento con el software Scada para HVAC……....……………..……………59

Figura 2.25. Arquitectura del sistema Tracer summit…..………….………......……...........................................60

Figura 2.26. Conexión del termostato honeywell T7350 con el servidor……...……....……………..……………61

Figura 2.27. Esquema de un dampermotorizado para aire acondicionado………..……………………………..63

Figura 2.28. Diagrama eléctrico de conexión del dampermotorizado Belimo AMB24………………….….…….64

IX

Figura 2.29. Válvulas de agua helada de 2 y 3 vías………………………………………………..………………..64

Figura 2.30. Esquema de instalación de una válvula de 3 vías de agua helada……………………………..…..65

Figura 2.31. Esquema eléctrico de una válvula de 3 vías de agua helada……................................................65

Figura 2.32. Información técnica de una válvula de 3 vías de agua helada……..………………………..……...66

Figura 2.33. Esquema de instalación de una válvula de 2 vías de agua helada……………..…………………..66

Figura 2.34. Sensor de movimiento 360 grados………………………………………..……………………………67

Figura 2.35. Esquema de conexión eléctrica del sensor de movimiento con una lámpara………………...…...68

Figura 2.36. Esquema de un contactor eléctrico monofásico……………………..………………………………..69

Figura 2.37. Esquema de contactos primarios y secundarios de un contactor…………..………..…………..…69

Figura 2.38. Esquema eléctrico de un relé con sus conexiones…………..………..…………..………………….70

Figura 2.39. Esquema eléctrico del relé con su diagrama de conexiones……..……………...………………….70

Figura 2.40. Esquema eléctrico de un equipo de aire acondicionado convencional con un termostato……….72

Figura 2.41. Datos técnicos de potencias eléctricas de equipos electrodomésticos….………………..………..78

Figura 3.1. Valores en la carta psicométrica de TBS, TBH y HR %………………...……….…………..………...87

Figura 3.2. Esquema del ambiente a climatizar………………….……………...…………………………………...91

Figura 3.3. Esquema del ambiente a climatizar…………………………………………..………………………….92

Figura 3.4. Esquema del ambiente a climatizar…………………………………………..………………………….94

Figura 3.5. Esquema del ambiente a climatizar…………………………………...…...……………...………….....97

Figura 3.6. Diagrama de Mollier con entalpias halladas…………..……………...………..................................103

Figura 3.7. Plano de distribución de ductos de aire acondicionado en el área…...…………….......................110

Figura 3.8. Plano de distribución de ductos de aire acondicionado en isométrico……………………………...111

Figura 3.9. Esquema de conexión electrica para prueba del contro convencional..........................................112

Figura 3.10. Ubicación correcta del termostato a instalar………………………..………………………………..113

Figura 3.11. Esquema de conexion electrica con un sensor de movimiento en un termostato T7350…..…..114

Figura 3.12. Diagrama escalera de conexión eléctrica del termostato a instalar…………………….……..…..115

Figura 3.13. Esquema de conexion entre sensor de movimiento y el termostato…………………………..…..116

Figura 3.14. Esquema isométrico de disposición de los equipos de aire acondicionado…………...……..…..117

Figura 3.15. Botones para el seteo del termostato honeywell T7350 programable…………….……………....117

Figura 3.16. Instalación del termostato honeywell T7350 programable con el software………….....………...123

Figura 3.17. Puertos de conexión del termostato honeywell T7350 programable con el software…………...124

Figura 3.18. Puntos de conexión del termostato honeywell T7350 programable con el software…….………125

Figura 3.19. Instalación de cable de red en el servidor WebStat……………………...………………………….125

X

Figura 3.20. Instalación del termostato honeywell T7350 programable con el software webstat….……..…..126

Figura 3.21. Imagen del software WebStat en la pantalla de la PC…....………………………………….……..126

Figura 3.22. Visualización de los parámetros con el software WebStat.………...……………….……….……..127

Figura 3.23. Datos del termostato honeywell T7350 programable con el software WebStat.……...…..……..127

Figura 3.24. Ubicación del termostato honeywell T7350 programable con el software…………..………..…..128

Figura 3.25. Comportamiento del tiempo y temperatura del aire acondicionado…….…………………....……129

Figura 3.26. Comportamiento del tiempo y temperatura del aire acondicionado…….…………………………130

Figura 3.27. Comportamiento del tiempo y temperatura del aire acondicionado…….……………...….………133

Figura 3.28. Comportamiento del tiempo y temperatura del aire acondicionado…………………….……..…..137

XI

LISTA DE TABLAS

Tabla 2.1. Equivalencias usuales en refrigeración……………………………………………..…………..………..26

Tabla 2.2. Medidas y capacidades de sistema de tipo chiller………………………..……………………………..44

Tabla 2.3. Tabla de velocidades de aire recomendadas en ambientes a climatizar……………………………..48

Tabla 2.4. Abaco de ductos pequeños……………………..……………...………………………………………….49

Tabla 2.5. Tabla de dimensiones equivalentes para ductos rectangulares……………………………..…...……50

Tabla 2.6. Tabla de fabricación de ductos según las normas SMACNA…………………………………………..51

Tabla 2.7. Tabla para calcular el diámetro de ductos en forma circular y rectangular………….……………….52

Tabla 2.8. Tabla para calcular la cantidad de ductos de aire acondicionado……………………………………..53

Tabla 2.9. Tabla de modelos de termostatos honeywell T7350……………………………………………………58

Tabla 2.10. Tabla del cálculo de selección de equipos de aire acondicionado…………………………………..74

Tabla 2.11. Tabla de selección de equipos de aire acondicionado…………………………………………….….75

Tabla 2.12. Tabla de selección de equipos de aire acondicionado………………………………………………..76

Tabla 3.1. Planteamiento del método de investigación científica…………………………………………………..82

Tabla 3.2. Matriz de consistencia………………………………………………………………………………………84

Tabla 3.3. Operacionalización de variables…………………………………………………………………………..84

Tabla 3.4. Datos de temperatura máxima y mínima en lima durante todo el año………………………………..85

Tabla 3.5. Gráficos de temperatura en todo el año…………………………………...……………………………..85

Tabla 3.6. Condiciones de humedad y temperatura recomendadas para confort………………………………..86

Tabla 3.7. Memoria de cálculo de la carga térmica con el método 1………………………………………………91

Tabla 3.8. Calculo de la carga térmica con el método 2…………………………………………………………….93

Tabla 3.9. Memoria de cálculo de la carga térmica con el método 2………………………………………………94

Tabla 3.10. Memoria de cálculo de la carga térmica con el método 3………………….…………………………96

Tabla 3.11. Memoria de cálculo de la carga térmica con el método 4………………….…………………………98

Tabla 3.12. Tabla para la selección del equipo de aire acondicionado…...…………….…………………………99

Tabla 3.13. Memoria de cálculo realizado a los equipos de aire acondicionado………………………………..100

Tabla 3.14. Memoria de cálculo realizado a los equipos………………………………………………………..…101

Tabla 3.15. Tabla de fabricación de ductos según las normas SMACNA…………………………….…………105

Tabla 3.16. Caída de presión en un ducto pequeño……………………………………………………………….106

Tabla 3.17. Tabla de conversión de ductos circulares a rectangulares………………………………………….107

Tabla 3.18. Tabla de selección de ductos de aire acondicionado a 2 000 CFM…………………...…………..108

Tabla 3.19. Tabla de selección de ductos de aire acondicionado a 1 000 CFM……………………...………..108

Tabla 3.20. Tabla de selección de ductos de aire acondicionado a 500 CFM………………………………….109

XII

Tabla 3.21. Tabla para hallar la cantidad de planchas galvanizadas y la cantidad de aislamiento térmico…109

Tabla 3.22. Potencia del aire acondicionado en total…………………………………….………………………..131

Tabla 3.23. Potencia de los aires acondicionados en total en el proyecto A……………………………....……132

Tabla 3.24. Potencia del aire acondicionado en total………………………………………………………………134

Tabla 3.25. Potencia de los aire acondicionado en total en el proyecto B………………………………………134

Tabla 3.26. Simulación de encendido y apagado del aire acondicionado…………..………………………..….136

Tabla 3.27. Potencia del aire acondicionado en total……………………………………………………………...138

Tabla 3.28. Potencia de los aire acondicionados en total del proyecto C……………………………………….138

Tabla 4.1. Potencia en kWh de los equipos de aire acondicionado………..…………………………………….140

Tabla 4.2 Potencia en kWh de los equipos de aire acondicionado representado en porcentaje………..……141

Tabla 4.3. Potencia en kWh y porcentajes de ahorro de energía de los equipos de aire acondicionado…....141

Tabla 5.1. Presupuesto de instalación de aire acondicionado proyecto A………………………………………144

Tabla 5.2. Presupuesto de instalación de aire acondicionado proyecto B...…………………………………….145

Tabla 5.3. Presupuesto de instalación de aire acondicionado proyecto C………………………………………146

Tabla 5.4. Diferencias económicas mensual en los 3 proyectos A, B y C……………………………….………147

Tabla 5.5. Diferencias económicas en los proyectos A, B y C……………………………………………………147

Tabla 5.6. Tabla de diferencia económica entre los proyectos A y B…………….……..………………….……148

Tabla 5.7. Tabla de diferencia económica entre los proyectos A y C…………….………..……….……..……..149

Tabla 5.8. Tabla de VAN y TIR en los 3 proyectos A, B y C……..……………………..………...…………..…..153

13

RESUMEN

El presente proyecto considera el cálculo térmico y diseño de un sistema de aire

acondicionado con control automático de temperatura por medio de un sensor de

movimiento y un termostato programable modelo Honeywell T7350, para los once

ambientes en remodelación de la empresa TLI Aduanas SAC. La empresa TLI Aduanas

SAC, es una entidad dedicada a la exportación e importación de productos en general.

En la primera parte del presente trabajo de investigación se detallan los cálculos de la

carga térmica mediante tres métodos para tener una mejor confiabilidad. A partir de estos

resultados se selecciona la capacidad de los equipos de aire acondicionado a ser

utilizados en cada ambiente. Luego se procede al diseño de los ductos para las líneas de

suministro y retorno de aire, todo ello se realiza teniendo en cuenta las Normas técnicas

de la Sociedad Americana de Ingenieros en Calefacción, Refrigeración y Aire

Acondicionado (ASHRAE).

Sobre este diseño se pasó a estudiar el uso del control automático de temperatura, con

ayuda de un sensor de movimiento y el termostato programable Honeywell T7350. Para

ello se utilizaron datos simulados de los tiempos de encendido y apagado de los equipos

para los siguientes casos: (A) Con control manual de temperatura, (B) Con control de

termostato de programación fija y (C) Con el control automático de temperatura. Para

estos tres casos se realizaron las comparaciones de consumo y ahorro de energía, así

como las evaluaciones económicas, del valor actual neto (VAN) y la tasa interna de

retorno (TIR).

14

Finalmente el sistema de aire acondicionado con control automático de temperatura

(proyecto C), en comparación con un sistema de aire acondicionado con control manual

de temperatura (proyecto A), consigue un ahorro de energía de la orden del 63%, lo cual

se traduce en un VAN positivo. Además el retorno de la inversión se consigue a partir del

segundo año, lo que indica que el proyecto es viable.