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INSTITUTO POLITÉCNICO NACIONAL ESCUELA SUPERIOR DE INGENIERÍA MECÁNICA Y ELÉCTRICA UNIDAD AZCAPOTZALCO TEMA: CÁLCULO DE LA CAPACIDAD DE LOS EQUIPOS ACONDICIONADORES DE AIRE PARA UN AUTOBÚS DE PASAJEROS DE USO TURÍSTICO. TESIS PROFESIONAL PARA OBTENER EL TÍTULO DE: INGENIERO MECÁNICO PRESENTA: C. DÍAZ BARANDA MIJAHELI ASESORES: ING. LÓPEZ MALDONADO AGUSTÍN M. EN SHO. NIDIA IVETTE MALFAVÓN RÁMOS
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INSTITUTO POLITÉCNICO NACIONAL
ESCUELA SUPERIOR DE INGENIERÍA MECÁNICA Y ELÉCTRICA
UNIDAD AZCAPOTZALCO
TEMA:
CÁLCULO DE LA CAPACIDAD DE LOS EQUIPOS ACONDICIONADORES DE
AIRE PARA UN AUTOBÚS DE PASAJEROS DE USO TURÍSTICO.
TESIS PROFESIONAL
PARA OBTENER EL TÍTULO DE:
INGENIERO MECÁNICO
PRESENTA:
C. DÍAZ BARANDA MIJAHELI
ASESORES:
ING. LÓPEZ MALDONADO AGUSTÍN
M. EN SHO. NIDIA IVETTE MALFAVÓN RÁMOS
DEDICATORIAS
A MI QUERIDA MAMÁ SANDRA BARANDA QUE SIEMPRE ME HA
APOYADO EN TODO MOMENTO, DANDOME SUS BUENOS CONSEJOS, QUE
ME HAN SERVIDO PARA TOMAR BUENAS DECISIONES EN MI VIDA Y QUE
ME HAN AYUDADO A SER UN HOMBRE DE BIEN. ADEMÁS DE DARME UN
BUEN EJEMPLO DE UNA PERSONA CON MUY BUENOS VALORES Y DER
SER UNA PERSONA MUY ADMIRABLE.
A MI DIOS MI GRAN PADRE CELESTIAL QUE SIEMPRE ME CUIDAD
POR TODO CAMINO DONDE ANDO Y QUE ME HA BENDECIDO CON UNA
GRAN FAMILIA.
A MI HERMANA JOALLY DÍAZ QUE ES UN GRAN EJEMPLO DE UNA
PERSONA QUE SE ESFUERZA Y QUE TRABAJA DÍA A DÍA PARA ALCANZAR
SUS METAS.
A MI HERMANA JOKSAN DÍAZ QUE ES UN GRAN EJEMPLO DE
PERSONA CON GRANDES VALORES.
A MI ABUELA INES ESCALONA A LA CUAL ADMIRO MUCHO POR SU
GRAN INTELIGENCIA Y ASTUCIA. ADEMÁS DE SER UN GRAN EJEMPLO DE
UNA MEJER MUY TRABAJADORA Y TENAZ.
A MI TÍO BRAULIO BARANDA AL CUAL ADMIRO POR SER UN BUEN
HOMBRE, TRABAJADOR, MUY INTELIGENTE Y POR SER UN BUEN EJEMPLO
A SEGUIR.
A MI TÍO RENATO BARANDA DEL CUAL HE APRENDIDO MUCHAS
COSAS Y UNA DE ESAS, ES QUE EL ÉXITO SE LOGRA MEDIANTE EL
TRABAJO DURO Y LA CONSTANCIA. ADEMÁS QUE HA SIDO UN GRAN
EJEMPLO EN MI VIDA.
A MI GRAN PROFESOR ING. AGUSTÍN LÓPEZ QUIEN HA SIDO PARA
MI MÁS QUE UN PROFESOR, HA SIDO UN GRAN AMIGO DEL CUAL HE
APRENDIDO MUCHAS COSAS, ME HA DADO MUY BUENOS COSEJOS Y AL
CUAL LE TENGO UNA GRAN ADMIRACIÓN.
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i
ÍNDICE
CONTENIDO PAG.
RESUMEN .............................................................................................................. 1
PLANTEAMIENTO DEL PROBLEMA ..................................................................... 2
OBJETIVO GENERAL ............................................................................................ 3
OBJETIVO PARTICULAR ....................................................................................... 3
JUSTIFICACIÓN ..................................................................................................... 4
INTRODUCCIÓN .................................................................................................... 5
CAPÍTULO I “GENERALIDADES” ........................................................................ 6
1.1 ANTECEDENTES HISTÓRICOS DEL AIRE ACONDICIONADO EN
AUTOBUSES DE PASAJEROS .............................................................................. 7
1.2 MARCO TEÓRICO ............................................................................................ 9
1.2.1 CONCEPTOS BÁSICOS ..................................................................... 9
1.2.2 REFRIGERACIÓN MECÁNICA ......................................................... 18
1.2.3 AIRE ACONDICIONADO ................................................................... 21
1.2.4 ESTUDIO PSICROMÉTRICO DEL AIRE .......................................... 29
1.2.5 BALANCE TÉRMICO ......................................................................... 34
CAPÍTULO II“INGENIERÍA BÁSICA” .................................................................. 36
2.1 ANÁLISIS DEL PROYECTO ........................................................................... 37
2.2 DESCRIPCIÓN DEL PROYECTO .................................................................. 37
2.3 METODOLOGÍA DE CÁLCULO ...................................................................... 39
CAPÍTULO III“DESARROLLO DEL PROYECTO” .............................................. 48
3.1 DATOS DE DISEÑO ....................................................................................... 49
3.2 MEMORIA DE CÁLCULO ............................................................................... 51
3.2.1 BALANCE TÉRMICO PARA VERANO .............................................. 51
3.2.2 BALANCE TÉRMICO PARA INVIERNO ............................................ 57
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ÍNDICE
CONTENIDO PAG.
3.2.3 CÁLCULO DE LA CAPACIDAD DE LA MANEJADORA DE AIRE Y DE
LA TEMPERATURA DE INYECCIÓN PARA VERANO E INVIERNO ........ 59
3.2.4 CICLO PSICROMÉTRICO DE ACONDICIONAMIENTO DE AIRE
PARA VERANO E INVIERNO .................................................................... 63
3.2.5 CÁLCULO DE LA CAPACIDAD DEL EQUIPO ACONDICIONADOR
DE AIRE ..................................................................................................... 66
3.3 SELECCIÓN DEL EQUIPO ACONDICIONADOR DE AIRE ........................... 67
3.4 DIAGRAMA DEL FUNCIONAMIENTO DEL PROYECTO ............................... 68
3.5 PLANO DEL AUTOBÚS .................................................................................. 69
CAPÍTULO IV“MANTENIMIENTO” ...................................................................... 70
4.1 TIPOS DE MANTENIMIENTO ......................................................................... 71
4.2 MANTENIMIENTO PREDICTIVO ................................................................... 73
4.3 MANTENIMIENTO PREVENTIVO .................................................................. 74
4.4 MANTENIMIENTO CORRECTIVO ................................................................. 75
4.5 BENEFICIOS TÉCNICOS Y ECONÓMICOS CON LA IMPLEMENTACIÓN
DEL MANTENIMIENTO ........................................................................................ 79
CONCLUSIONES .................................................................................................. 80
RECOMENDACIONES ......................................................................................... 81
REFERENCIA BIBLIOGRÁFICA ........................................................................... 82
REFERENCIA ELECTRÓNICA ............................................................................. 84
ANEXOS
ANEXO A TEMPERATURAS DE LA REPUBLICA MEXICANA HVAC ................. 86
ANEXO B MANUAL CARRIER ............................................................................. 87
ANEXO C TABLAS DE MATERIALES .................................................................. 88
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ÍNDICE DE FIGURAS
CONTENIDO PAG.
FIGURA 1.1 PRIMEROS CAMIONES CON AIRE ACONDICIONADO ................... 7
FIGURA 1.2 PARTES DEL SISTEMA DE REFRIGERACIÓN MECÁNICA .......... 20
FIGURA 1.3 FUNCIONAMIENTO DEL SISTEMA DE REFRIGERACIÓN
MECÁNICA ........................................................................................................... 20
FIGURA 1.4 FUNCIONAMIENTO DEL SISTEMA DE AIRE ACONDICIONADO .. 23
FIGURA 1.5 FUNCIONAMIENTO DEL SISTEMA DE AIRE ACONDICIONADO
CON RECIRCULACIÓN ........................................................................................ 24
FIGURA 1.6 SISTEMA DE AIRE ACONDICIONADO COMPACTO ...................... 25
FIGURA 1.7 SISTEMA DE AIRE ACONDICIONADO PORTÁTIL ......................... 25
FIGURA 1.8 SISTEMA DE AIRE ACONDICIONADO TIPO SPLIT ....................... 26
FIGURA 1.9 SISTEMA DE AIRE ACONDICIONADO CENTRAL SEPARADO ..... 26
FIGURA 1.10 SISTEMA DE AIRE ACONDICIONADO EQUIPO PAQUETE DE UN
AUTOBÚS ............................................................................................................. 27
FIGURA 1.11 SISTEMA DE AIRE ACONDICIONADO CHILLER ......................... 27
FIGURA 1.12 CARTA PSICROMÉTRICA ............................................................. 29
FIGURA 1.13 LÍNEAS DE TEMPERATURA DE BULBO SECO ........................... 30
FIGURA 1.14 LÍNEAS DE TEMPERATURA DE BULBO HÚMEDO ..................... 30
FIGURA 1.15 LÍNEAS DE TEMPERATURA DE PUNTO DE ROCÍO ................... 31
FIGURA 1.16 LÍNEAS DE HUMEDAD RELATIVA ................................................ 31
FIGURA 1.17 LÍNEAS DE HUMEDAD ABSOLUTA .............................................. 32
FIGURA 1.18 LÍNEAS DE ENTALPÍA ................................................................... 32
FIGURA 1.19 LÍNEAS DE VOLUMEN ESPECÍFICO ............................................ 33
FIGURA 3.1 CIUDAD OBREGÓN, SONORA ....................................................... 49
FIGURA 3.2 CIUDAD JUÁREZ, CHIHUAHUA ...................................................... 50
FIGURA 3.3 TRAZO DEL F.C.S ............................................................................ 61
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ÍNDICE DE TABLAS
CONTENIDO PAG.
TABLA 2.1 MATERIALES DE CONSTRUCCIÓN ................................................ 41
TABLA 2.2 CALOR SENSIBLE Y LATENTE DESPRENDIDO POR PERSONA .. 42
TABLA 2.3 CAMBIOS DE AIRE POR HORA DEBIDO A LA INFILTRACIÓN ....... 43
TABLA 3.1 CONDICIONES AMBIENTALES PARA VERANO(PUNTO 3) ............ 49
TABLA 3.2 CONDICIONES AMBIENTALES PARA INVIERNO(PUNTO3) ........... 50
TABLA 3.3 CONDICIONES DE COMODIDAD PARA EL DISEÑO DE
INTERIORES ....................................................................................................... 50
TABLA 3.4 MATERIALES DEL AUTOBÚS ........................................................... 51
TABLA 3.5 PROPIEDADES DEL AIRE ................................................................. 51
TABLA 3.6 CONDICIONES DEL BALANCE TÉRMICO PARA VERANO ............. 51
TABLA 3.7 VALORES DE LAS PROPIEDADES PSICROMÉTRICAS DEL PUNTO
2(DISEÑO) ............................................................................................................ 59
TABLA 3.8 VALORES DE LAS PROPIEDADES PSICROMÉTRICAS DEL PUNTO
3 PARA VERANO ................................................................................................. 59
TABLA 3.9 VALORES DE LAS PROPIEDADES PSICROMÉTRICAS DEL PUNTO
DE INYECCIÓN PARA VERANO .......................................................................... 60
TABLA 3.10 DATOS TÉCNICOS DEL EQUIPO ACONDICIONADOR DE AIRE .. 67
TABLA 4.1 MANTENIMIENTO CORRECTIVO ..................................................... 75
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ABREVIATURAS
AA: Aire Acondicionado
BT: Balance Térmico
BTU: Unidad Térmica Británica
Cp: Calor Específico a Presión Constante
°F: Grados Fahrenheit
F.C.S: Factor de Calor Sensible
P: Presión
°R: Grados Rankine
R: Constante universal
SAA: Sistema de Aire Acondicionado
TBH: Temperatura de Bulbo Húmedo
TBS: Temperatura de Bulbo Seco
TR: Tonelada de Refrigeración
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RESUMEN.
En este proyecto se calcularán las capacidades y selección de los equipos
acondicionadores de aire para un autobús de pasajeros de uso turístico. Para
lograr lo mencionado el trabajo se dividirá en cuatro capítulos.
En el primer capitulo tendrá una breve historia del aire acondicionado en
autobuses para pasajeros, se explicará que es la refrigeración y como funciona
dicho sistema; ya que este sistema tiene una gran importancia en los sistemas de
acondicionamiento de aire. Además se explicará que es el aire acondicionado y
conceptos básicos para entender mejor su funcionamiento y los principales
elementos que lo integran.
En el capitulo dos se desarrollará lo que es la ingeniería básica, donde se realizará
el análisis del proyecto (Esto incluye determinar las condiciones bajo las cuales se
analizará), descripción (Como será dicho proyecto) y metodología de cálculo que
se aplicará durante el desarrollo del proyecto.
El capitulo tres incluirá la memoria de cálculo que servirá para determinar la
capacidad y selección de los equipos acondicionadores de aire para un autobús
de pasajeros con aplicación turística.
En el último capitulo se implementará el programa de mantenimiento que se le
debe aplicar a estos equipos para su funcionamiento optimo; así como de las
fallas mas comunes que se presentan, para preservar su vida útil.
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2
PLANTEAMIENTO DEL PROBLEMA.
Desde los inicios del uso de autobuses de pasajeros los sistemas de aire
acondicionado han tenido un gran uso e importancia, en especial en los autobuses
de pasajeros de uso turístico, ya que en estos los viajes son en su mayoría
recorridos que duran mínimo dos horas. La industria del autotransporte sabe que
parte de lograr una excelente comodidad durante el viaje tiene que ver mucho con
el acondicionamiento del espacio con aire, ya que viajar a temperaturas muy altas
o bajas para el ser humano es algo muy incomodo. Debido a lo mencionado el uso
de los equipos de aire acondicionado en autobuses de pasajeros de uso turístico
es algo indispensable.
Por lo mencionado en este proyecto se plantea el cálculo de la capacidad y
selección de los principales elementos que integran un sistema de aire
acondicionado de un autobús de pasajeros de uso turístico, teniendo en cuanta
que este autobús será de uso exclusivo para la republica mexicana. Por lo cual,
las condiciones climáticas y físicas a considerar serán de la republica mexicana, y
por norma las críticas.
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OBJETIVO GENERAL
Mediante una memoria de cálculos se obtendrá la capacidad, así como la
selección de los principales elementos que integran un sistema de aire
acondicionado completo de un autobús de pasajeros de uso turístico, el cual su
viabilidad será de uso exclusivo en toda la republica mexicana.
OBJETIVO PARTICULAR
Aplicar los conocimientos adquiridos durante la carrera de ingeniería mecánica en
la asignatura de Aire Acondicionado, así como la aplicación de la metodología que
se usará para el desarrollo del proyecto.
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JUSTIFICACIÓN.
Hablar de aire acondicionado, es hablar de uno de los sistemas térmicos más
utilizados en la ingeniería mecánica, ya sea en el área domestica, comercial o
industrial. En este caso su aplicación será para el área comercial, puesto que su
uso será en un autobús de pasajeros de uso turístico.
El aire acondicionado tiene una gran importancia en la vida del ser humano, ya
que este busca siempre que su vida sea cada día de mejor calidad y esto implica
mayor comodidad. Hablar de comodidad dentro de un vehículo incluye cumplir con
muchas especificaciones, pero en este caso se basará únicamente en el control
de la temperatura y humedad de un espacio para la comodidad, que requiere un
ser humano.
Para lograr lo mencionado se emplearán métodos analíticos para poder calcular la
capacidad de los equipos acondicionadores de aire para que un autobús pueda
proporcionar la comodidad a los pasajeros durante un viaje a cualquier parte de la
republica mexicana.
Este proyecto se desarrollará con conocimientos a nivel académico de
termodinámica, transferencia de calor, refrigeración y aire acondicionado.
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INTRODUCCIÓN.
El proyecto a desarrollar trata sobre el cálculo de la capacidad y selección de los
equipos acondicionadores de aire tipo paquete con recirculación para un autobús
de pasajeros, el cual su uso específico será para la republica mexicana. Para un
mejor entendimiento se dará a conocer como primer punto una explicación de
¿Qué es la refrigeración? y los diferentes sectores donde esta es usada. Esto se
debe a que la refrigeración tiene una gran importancia en el acondicionamiento del
aire.
Como segundo punto a tratar es la importancia que tiene el aire acondicionado
¿Qué es el aire acondicionado?, ¿Cómo funciona el aire acondicionado?,
clasificación del aire acondicionado, tipos y sus aplicaciones. También se explicará
¿Qué es un balance térmico? Esto con el propósito de poder entender la
metodología de cálculo que se planteará y se usará en el desarrollo del proyecto.
En el tercer punto se dará a conocer la metodología de cálculo y los parámetros
con los cuales se realizará el proyecto, esto con el objetivo que a la hora de pasar
a la hoja de cálculo, se entienda de donde se obtendrán ciertos valores para
aplicarlos en las ecuaciones y no exista confusión.
Para desarrollar los cálculos un parámetro muy importante a considerar es que el
proyecto como se ha mencionado será exclusivamente para la republica
mexicana, por lo cual se consideraran dos regiones de la republica mexicana
donde el espacio móvil a acondicionar con aire, sea sometido a las situaciones
climatológicas mas extremosas del país. La primera a considerar será para el
análisis y desarrollo del proyecto en verano y la segunda para el análisis y
desarrollo del proyecto en invierno.
Con la implementación del programa de mantenimiento se explicara sobre la
clasificación de los distintos tipos mantenimientos que existen, esto con el objetivo
que a la hora de aplicar este mantenimiento que se debe realizar sobre estos
equipos no existan dudas y así poder obtener el beneficio deseado.
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CAPÍTULO I
GENERALIDADES
Es este capítulo se aborda la parte teórica del proyecto: definiendo conceptos
básicos, refrigeración mecánica, aire acondicionado (¿Qué es el aire
acondicionado?, ¿Cómo funciona?, etc.), estudio psicrométrico del aire y balance
térmico.
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1.1ANTECEDENTES HISTÓRICOS DEL AIRE ACONDICIONADO EN
AUTOBUSES DE PASAJEROS.
Los progresos tecnológicos, en su mayoría, han
sido concebidos para mejorar la calidad de vida de
los seres humanos, uno de ellos, quizá no el más
valorado, pero sí uno de los más útiles, es el aire
acondicionado.
Fig.1.1 Primeros camiones con AA
Ya en la antigüedad, los egipcios contaban con métodos para la reducción del
calor, mediante el traslado de las piedras que conformaban el palacio del faraón a
la fría noche del desierto y su posterior recolocación por la mañana, el palacio
lograba conservar una temperatura agradable en su interior.
Esto sentó las bases, de los novedosos sistemas de aire acondicionado; ya para
1842 Lord Kelvin inventaría el principio del aire acondicionado, buscando una
manera de conservar el ambiente a una temperatura agradable, Kelvin logró
construir un circuito basado en la absorción de calor mediante un gas refrigerante.
Y para 1902 Willis Haviland Carrier, logró sentar las bases de la refrigeración
moderna, diseño un sistema que controlaba la temperatura y la humedad por
medio de tubos enfriados.
Gracias a su calidad, el invento de Carrier logró su primera exportación sólo 5
años después de haber sido inventado; y para 1915 se conformó la Compañía de
ingeniería Carrier, dedicada a la innovación del producto.
Para 1914 se instaló el primer sistema de aire acondicionado en una tienda
departamental y en 1928, 300 salas de cine contaban con él.
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El mismo año Carrier crearía el primer equipo que enfriaba, calentaba y limpiaba y
al mismo tiempo hacía circular el aire para los hogares, sin embargo fue hasta el
término de la segunda guerra mundial que se comercializó ampliamente.
En la actualidad, Carrier continúa escribiendo la historia de sus éxitos,
desarrollando sistemas cada vez más eficientes, manteniéndose en el liderazgo
del mercado, con productos que van desde sistemas para el hogar, para la
industria y para las empresas e implementando sistemas de enfriamiento para el
transporte de productos perecederos.
Aire acondicionado en el transporte de pasajeros:
Actualmente el transporte de pasajeros ofrece cada vez más seguridad y
eficiencia, pero sobre todo comodidad, pues ésta es lo primero que el usuario nota
al contratar un servicio de autobús; y un punto importantísimo tiene que ver con la
temperatura al interior de la unidad, puesto que al contar con un buen sistema de
aire acondicionado, se asegura un viaje placentero; por ello existen diversas
empresas dedicadas a satisfacer esta necesidad fundamental en cualquier viaje.
Hacia 1902 Willis Carrier creó el primer sistema de aire acondicionado,
revolucionando la manera en que las personas se desenvuelven en su entorno,
haciéndolo más agradable y llevadero.
Así, Carrier fue la punta de lanza de las empresas que se decidan concretamente
al acondicionamiento en unidades de transporte de pasajeros.
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1.2 MARCO TEÓRICO
1.2.1 CONCEPTOS BÁSICOS
BTU
British Thermal Unit. Unidad térmica inglesa. Es la cantidad de calor necesario
que hay que sustraer a 1 libra de agua para disminuir su temperatura 1º F. Una
BTU equivale a 0,252 Kcal.
CALOR
Representa la cantidad de energía que un cuerpo transfiere a otro como
consecuencia de una diferencia de temperatura entre ambos. El tipo de energía
que se pone en juego en los fenómenos caloríficos se denomina energía térmica.
El carácter energético del calor lleva consigo la posibilidad de transformarlo en
trabajo mecánico. Sin embargo, la naturaleza impone ciertas limitaciones a este
tipo de conversión, lo cual hace que sólo una fracción del calor disponible sea
aprovechable en forma de trabajo útil.
CALOR ESPECÍFICO
Cantidad de calor necesaria para elevar la temperatura de una unidad de masa de
una sustancia en un grado. En el Sistema Internacional de unidades, el calor
específico se expresa en julios por kilogramo y kelvin; en ocasiones también se
expresa en calorías por gramo y grado centígrado.
CALOR ESPECÍFICO A PRESIÓN CONSTANTE
Cantidad de calor necesaria para elevar la temperatura de una unidad de masa de
una sustancia en un grado cuando la presión se mantiene constante.
CALOR ESPECÍFICO A VOLUMEN CONSTANTE
Cantidad de calor necesaria para elevar la temperatura de una unidad de masa de
una sustancia en un grado cuando el volumen se mantiene constante.
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CALOR SENSIBLE
El Calor sensible es el calor empleado en la variación de temperatura, de una
sustancia cuando se le comunica o sustrae calor. . No hay modificación del estado
físico del cuerpo.
CALOR LATENTE
El calor latente es el calor que, sin afectar a la temperatura, es necesario adicionar
o sustraer a una sustancia para el cambio de su estado físico.
CALOR LATENTE DE FUSIÓN
Es el calor por unidad de masa necesario para cambiar la sustancia de la fase
sólida a la líquida a su temperatura de fusión.
CALOR LATENTE DE VAPORIZACIÓN
Es el calor por unidad de masa necesario para cambiar la sustancia de líquido a
vapor a su temperatura de ebullición.
CALOR LATENTE DE SUBLIMACIÓN
Es el calor por unidad de masa necesario para cambiar la sustancia de sólido a
vapor.
CALORIA
Una caloría es la cantidad de calor que tenemos que añadir a 1 Kg. de agua a
15ºC de temperatura para aumentar esta temperatura en 1ºC. Es equivalente a 4
BTU.
CICLO TERMODINÁMICO
Se denomina ciclo termodinámico a cualquier serie de procesos termodinámicos
tales que, al transcurso de todos ellos, el sistema regrese a su estado inicial; es
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decir , que la variación de las magnitudes termodinámicas propias del sistema sea
nula.
COP
Coeficiente de prestación. Es el coeficiente entre la potencia calorífica total
disipada en vatios y la potencia eléctrica total consumida, durante un periodo típico
de utilización
ENERGÍA TÉRMICA
La energía térmica es la parte de la energía interna de un sistema termodinámico
en equilibrio que es proporcional a su temperatura absoluta y se incrementa o
disminuye por transferencia de energía, generalmente en forma de calor o trabajo,
en procesos termodinámicos. A nivel microscópico y en el marco de la Teoría
cinética, es el total de la energía cinética media presente como el resultado de los
movimientos aleatorios de átomos y moléculas o agitación térmica, que
desaparecen en el cero absoluto.
-ENUNCIADO DE CLAUSIUS.
En palabras de Sears es: "No es posible ningún proceso cuyo único resultado sea
la extracción de calor de un recipiente a una cierta temperatura y la absorción de
una cantidad igual de calor por un recipiente a temperatura más elevada".
-ENUNCIADO DE KELVIN
No existe ningún dispositivo que, operando por ciclos, absorba calor de una única
fuente (E. absorbida), y lo convierta íntegramente en trabajo (E. útil).
-ENUNCIADO DE KELVIN-PLANCK
Es imposible construir una máquina térmica que, operando en un ciclo, no
produzca otro efecto que la absorción de energía desde un depósito, y la
realización de una cantidad igual de trabajo.
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ESTADO DE LA MATERIA
Se entiende por estado de materia cualquier campo, entidad, o discontinuidad
traducible a fenómeno perceptible que se propaga a través del espacio-tiempo a
una velocidad igual o inferior a la de la luz y a la que se pueda asociar energía. Así
todas las formas de materia tienen asociadas una cierta energía pero sólo algunas
formas de materia tienen masa.
FUERZA
La fuerza es la magnitud vectorial por la cual un cuerpo puede deformarse,
modificar su velocidad o bien ponerse en movimiento superando un estado de
inercia e inmovilidad. Fig.1.2
FRIO
El frío, por definición, no existe. Es simplemente una sensación de falta de calor.
FRIGORIA
Una frigoría es la cantidad de calor que tenemos que sustraer a 1 kg. de agua a
15º C de temperatura para disminuir esta temperatura en 1º C. Es equivalente a 4
BTU.
GAS PERFECTO
Un gas ideal o perfecto sería aquel que cumple estrictamente con las leyes de
Boyle (a temperatura constante, el volumen de una masa definida de gas es
inversamente proporcional a la presión)(PV=constante) y de Gay-Lussac (a
presión constante, el volumen de una masa determinada de cualquier gas
aumenta en la misma cantidad relativa por cada grado de aumento de
temperatura)(V/T=constante). Las características de dicho gas serían que sus
moléculas sean tan pequeñas que su volumen real sea despreciable en
comparación con el volumen total del gas. Además, las moléculas no tendrían que
ejercer atracción alguna entre sí.
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HUMEDAD
Es la condición del aire con respecto a la cantidad de vapor de agua que contiene.
HUMEDAD ABSOLUTA (DENSIDAD DEL VAPOR)
Es el peso del vapor de agua por unidad de volumen de aire, expresada en
gramos por metro cúbico de aire.
HUMEDAD ESPECÍFICA
Es el peso del vapor de agua por unidad de peso de aire seco, expresada en
gramos por kilogramo de aire seco.
HUMEDAD RELATIVA
Es la relación entre la presión real del vapor de agua contenida en el aire húmedo
y la presión del vapor saturado a la misma temperatura. Se mide en tanto por
ciento.
LEY CERO DE LA TERMODINÁMICA
La Ley cero de la termodinámica nos dice que si tenemos dos cuerpos llamados A
y B, con diferente temperatura uno de otro, y los ponemos en contacto, en un
tiempo determinado t, estos alcanzarán la misma temperatura, es decir, tendrán
ambos la misma temperatura. Si luego un tercer cuerpo, que llamaremos C se
pone en contacto con A y B, también alcanzará la misma temperatura y, por lo
tanto, A, B y C tendrán la misma temperatura mientras estén en contacto.
LEY DE GIBBS-DALTON
En una mezcla de gases o vapores, cada gas o vapor ejerce la misma presión en
el mismo espacio total, como si la ejerciera por sí sólo, a la misma temperatura de
la mezcla. Es decir que cualquier mezcla de gases ejerce una presión total igual a
la suma de las presiones parciales ejercidas independientemente por cada gas.
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NORMAS UNE, ARI Y ASHRAE
Son las frigorías hora producidas por un acondicionador a 35º C (95º F) de
temperatura seca exterior y 23,8º C (75º F) de temperatura húmeda exterior, con
el aire de la habitación, retornando al acondicionador a 26,6º C (80º F) de
temperatura seca y 19,4º C (67º F) de temperatura húmeda.
PRIMERA LEY DE LA TERMODINÁMICA
La Primera ley de la termodinámica se refiere al concepto de energía interna,
trabajo y calor. Nos dice que si sobre un sistema con una determinada energía
interna, se realiza un trabajo mediante un proceso, la energía interna del sistema
variará. A la diferencia de la energía interna del sistema y a la cantidad de trabajo
le denominamos calor. El calor es la energía transferida al sistema por medios no
mecánicos. Pensemos que nuestro sistema es un recipiente metálico con agua;
podemos elevar la temperatura del agua por fricción con una cuchara o por
calentamiento directo en un mechero; en el primer caso, estamos haciendo un
trabajo sobre el sistema y en el segundo le transmitimos calor.
PRESIÓN
Es una magnitud físicaescalar que mide la fuerza en dirección perpendicular por
unidad de superficie, y sirve para caracterizar como se aplica una determinada
fuerza resultante sobre una superficie.
PRESIÓN MANOMÉTRICA
Se llama presión manométrica a la diferencia entre la presión absoluta o real y la
presión atmosférica. Se aplica tan solo en aquellos casos en los que la presión es
superior a la presión atmosférica, pues cuando esta cantidad es negativa se llama
presión de vacío.
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PRESIÓN ATMOSFÉRICA
La presión atmosférica es la presión que ejerce el aire sobre la atmósfera.
Normalmente se refiere a la presión atmosférica terrestre, pero el término es
generalizable a la atmósfera de cualquier planeta o satélite.
PRESIÓN ABSOLUTA
Se conoce como presión absoluta a la presión real que se ejerce sobre un punto
dado.
Presión Absoluta= Presión atmosférica + Presión manométrica
PROCESO TERMODINÁMICO
Se denomina proceso termodinámico a la evolución de determinadas magnitudes
(o propiedades) propiamente termodinámicas relativas a un determinado sistema
físico. Desde el punto de vista de la termodinámica, estas transformaciones deben
transcurrir desde un estado de equilibrio inicial a otro final; es decir, que las
magnitudes que sufren una variación al pasar de un estado a otro deben estar
perfectamente definidas en dichos estados inicial y final.
REFRIGERANTE
Un refrigerante es un producto químicolíquido o gaseoso, fácilmente licuable, que
se utiliza como de medio transmisor de calor entre otros dos en una máquina
térmica. Los principales usos son los refrigeradores y los acondicionadores de
aire.
SALTO TERMICO
Es toda diferencia de temperaturas. Se suele emplear para definir la diferencia
entre la temperatura del aire de entrada a un acondicionador y la de salida del
mismo, y también para definir la diferencia entre la temperatura del aire en el
exterior y la del interior.
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SEGUNDA LEY DE LA TERMODINÁMICA
La segunda ley de la termodinámica expresa, en una forma concisa, que "La
cantidad de entropía de cualquier sistema aislado termodinámicamente tiende a
incrementarse con el tiempo".
TERMODINÁMICA
La termodinámica es la rama de la física que se dedica al estudio de las relaciones
entre el calor y el resto de las formas de energía. Analiza, por lo tanto, los efectos
de los cambios de temperatura, presión, densidad, masa y volumen en los
sistemas a nivel macroscópico.
TEMPERATURA DE BULBO HUMEDO (TERMOMETRO HUMEDO)
Es la temperatura indicada por un termómetro, cuyo depósito está envuelto con
una gasa o algodón empapados en agua, expuesto a los efectos de una corriente
de aire intensa.
TEMPERTURA DE BULBO SECO (TERMOMETRO SECO)
Es la temperatura del aire, indicada por un termómetro ordinario.
TEMPERATURA DE PUNTO DE ROCIO
Es la temperatura a que debe descender el aire para que se produzca la
condensación de la humedad contenida en el mismo.
TRANSFERENCIA DE CALOR
Transferencia de calor, en física, proceso por el que se transfiere 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 convección, radiación
o conducción.
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17
TRANSFERENCIA DE CALOR POR CONDUCCIÓN
La conducción es la transferencia de calor, por medio de la excitación molecular
en el interior del material, sin ningún tipo de movimiento entre los objetos. Si un
extremo de una barra de metal está a una temperatura más alta, entonces se
transferirá energía calorífica hacia el extremo frío.
TRANSFERENCIA DE CALOR POR CONVECCIÓN
La convección es una de las tres formas de transferencia de calor y se caracteriza
porque se produce por intermedio de un fluido (aire, agua) que transporta el calor
entre zonas con diferentes temperaturas. La convección se produce únicamente
por medio de materiales fluidos. Estos, al calentarse, aumentan de volumen y, por
lo tanto, su densidad disminuye y ascienden desplazando el fluido que se
encuentra en la parte superior y que está a menor temperatura. Lo que se llama
convección en sí, es el transporte de calor por medio de las corrientes ascendente
y descendente del fluido.
TRANSFERENCIA DE CALOR POR RADIACIÓN
Es la transferencia de calor por medio de ondas electromagnéticas. No se requiere
de un medio para su propagación. La energía radiada se mueve a la velocidad de
la luz. El calor radiado por el Sol se puede transferir entre la superficie solar y la
superficie de la Tierra sin calentar el espacio de transición.
TONELADA DE REFRIGERACIÓN
Es el efecto de cambio de estado que sufre una tonelada corta de hielo (200lbs)
cuando se le suministra cierta cantidad de calor latente a una temperatura de 32°F
durante 24 horas, y es una unidad de medida que sirve para determinar la
capacidad de un sistema de refrigeración o de aire acondicionado.
1TR= 2000lb (144)=288,000 BTU/día
1TR=12,000 BTU/hr
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1TR= 200 BTU/min
ZONA DE COMODIDAD
Son unas condiciones dadas de temperatura y humedad relativa bajo normas,
que proporcionan comodidad a los seres humanos. Estas condiciones oscilan
entre los 72-76 °F de temperatura y el 40 al 60 por 100 de humedad relativa.
1.2.2REFRIGERACIÓN MECÁNICA
La refrigeración mecánica o mejor conocida como refrigeración por compresión es
uno de los sistemas energéticos mas utilizados en la ingeniería mecánica. Estos
sistemas los podemos ver aplicados en muchas partes ya sea en zonas
industriales, comerciales o domesticas. La importancia de mencionar este tema en
este trabajo es debido que el tema del proyecto es el calculo de un sistema de aire
acondicionado el cual trabajará tanto para verano como para invierno y es en la
parte de verano donde entra a trabajar el sistema de refrigeración, ya que en los
proyectos de acondicionamiento de aire para verano lo que requerimos es enfriar
el aire y para alcanzar dicho objetivo se utiliza dicho sistema.
Para poder entender mejor ¿Cómo es que el sistema de refrigeración mecánica
ayudará al enfriamiento del aire? A continuación se explicará ¿Qué es la
refrigeración? Y ¿Cómo funciona un sistema de refrigeración por compresión?.
Esto para entender como se logrará el objetivo de acondicionar un espacio en
verano.
¿Qué es la refrigeración?
La refrigeración es un proceso que consiste en bajar o evitar que suba el nivel de
calor de un cuerpo o un espacio. Considerando que realmente el frío no existe y
que debe hablarse de mayor o menor cantidad de calor o de mayor o menor nivel
térmico (nivel que se mide con la temperatura), refrigerar es un proceso
termodinámico en el que se extrae calor del objeto considerado (reduciendo su
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19
nivel térmico), y se lleva a otro lugar capaz de admitir esa energía térmica sin
problemas o con muy pocos problemas.
¿Cómo funciona un sistema de refrigeración por compresión?
La refrigeración por compresión se logra evaporando un gas refrigerante en
estado líquido a través de un dispositivo de expansión dentro de un intercambiador
de calor, denominado evaporador. Para evaporarse este requiere absorber calor
latente de vaporización. Al evaporarse el líquido refrigerante cambia su estado
a vapor. Durante el cambio de estado el refrigerante en estado de vapor absorbe
energía térmica del medio en contacto con el evaporador, bien sea este medio
gaseoso o líquido. A esta cantidad de calor contenido en el ambiente se le
denomina carga térmica. Luego de este intercambio energético,
un compresor mecánico se encarga de aumentar la presión del vaporpara poder
condensarlo dentro de otro intercambiador de calor conocido como condensador y
hacerlo líquido de nuevo. En este intercambiador se liberan del sistema
frigoríficotanto el calor latente como el sensible, ambos componentes de la carga
térmica. Ya que este aumento de presión además produce un aumento en
su temperatura, para lograr el cambio de estado del fluido refrigerante -y producir
el subenfriamiento del mismo- es necesario enfriarlo al interior del condensador;
esto suele hacerse por medio de aire y/oagua conforme el tipo de condensador,
definido muchas veces en función del refrigerante. De esta manera, el refrigerante
en estado líquido, puede evaporarse nuevamente a través de la válvula de
expansión y repetir el ciclo de refrigeración por compresión. Para su mejor
entendimiento se muestran a continuación dos ilustraciones del funcionamiento del
sistema de refrigeración por compresión. Fig. 1.2 y Fig. 1.3
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20
Fig.1.2 Partes del sistema de refrigeración mecánica
Fig. 1.3 Funcionamiento del sistema de refrigeración mecánica
APLICACIONES
Equipos de refrigeración
Aire acondicionado o acondicionador de aire
Refrigerador, nevera o frigorífico
Enfriador de agua
Tanque de leche
Cámara de refrigeración
Fábrica de hielo
Aire acondicionado automotor
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1.2.2 AIRE ACONDICIONADO
El aire acondicionado es un sistema energético, el cual tiene como objetivo
acondicionar un espacio con aire (caliente o frio) para la comodidad de las
personas que lo ocupan. Esto se logra mediante el control de la temperatura,
porciento de humedad y pureza del aire de dicho espacio. Es de suma
importancia mencionar que no siempre los espacios acondicionados tienen el
objetivo de dar comodidad a personas, también a nivel industrial son usados para
procesos de fabricación, donde se requiere que el aire cumpla con una cierta
temperatura, porciento de humedad, etc.
Un sistema de aire acondicionado diseñado conforme a todas las normas debe
controlar las siguientes magnitudes:
Temperatura
Humedad
Velocidad
Pureza
Refrigeración
Calefacción
Humidificación
Deshumidificación
Distribución del aire
Nivel de ruido
Filtración
Esterilizado
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CLASIFICACIÓN
El uso del aire acondicionado dependerá mucho de la región donde este vaya ser
implementado, ya que existen lugares donde todo el año hace calor o viceversa.
Debido a lo mencionado el aire acondicionado se clasifica de la siguiente manera:
Aire acondicionado parcial: Donde se acondiciona un espacio únicamente
para una época del año, ya sea verano o invierno.
Aire acondicionado total: Donde el sistema funciona todo el año verano e
invierno.
Este proyecto trabajará con aire acondicionado total, ya que el espacio a
acondicionar con aire es un espacio móvil y como se sabe estos espacios
enfrentan diversas situaciones climáticas ya se temperaturas muy altas o bajas.
Los sistemas de acondicionamiento con aire más comunes admiten la siguiente
clasificación para poder satisfacer diferentes tipos de necesidades en el campo
doméstico, comercial e industrial.
Sistemas de ventilación mecánica: La ventilación mecánica consiste
exclusivamente en remover humos, vapores tóxicos, malos olores en
espacios principalmente: comercios e industria.
Sistemas de aire acondicionado con refrigeración y calefacción: Este
sistema esta integrado con equipos más completos como son: manejadora
de aire, serpentines de enfriamiento y calentamiento, humificador,
deshumificador, filtros y ductos distribuidores de aire. Este sistema se
clasifica como: abiertos o con recirculación de aire.
Sistema de aire lavado: Este sistema opera con un equipo llamado lavadora
de aire la cual es muy versátil con cierta limitación en su aplicación. Este
equipo consta esencialmente de una cámara metálica abierta en sus dos
extremos, por la cual circula el aire que se va a tratar con diferentes
procesos psicrométricos.
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23
FUNCIONAMIENTO.
¿Cómo funciona un equipo de aire acondicionado? Para entender mejor el
funcionamiento de un sistema de aire acondicionado primero hay que entender
cual es su objetivo y este es acondicionar un espacio con aire controlando su
temperatura, humedad y pureza. ¿Cómo es que logra este objetivo? Mediante
la implementación de otros sistemas que lo conforman que es un sistema de
refrigeración, un sistema de calefacción, humificadores y deshumificadores, y
filtros para la pureza del aire. Lo que hacen los equipos acondicionadores de
aire es tomar aire del exterior y tratar este dependiendo de la necesidad del
espacio. Por ejemplo, si el espacio necesita que se remueva calor , el aire
pasará por un sistema de refrigeración en donde se le extraerá calor de tal
manera que este a la hora de la entrada al espacio a acondicionar su
temperatura sea menor a la temperatura del interior y así exista la transferencia
de calor para que este sea removido del espacio a acondicionar. De igual
manera pasa cuando en vez de aire frio se necesita aire caliente se hace pasar
el aire por serpentines de calentamiento para entrar a una temperatura mayor y
dentro del espacio se produzca la transferencia de calor, pero en este caso no
se extrae calor del espacio sino al contrario se suministra calor para que el
espacio alcance la temperatura de diseño (comodidad).Para entender mejor el
proceso se muestra en la siguiente figura un diagrama del funcionamiento del
aire acondicionado. Fig. 1.4
Fig. 1.4 Funcionamiento del SAA (ABIERTO)
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24
En el aire acondicionado también existen métodos para ahorro de energía y
dinero, los cuales son sistemas de aire acondicionado con recirculación. En estos
sistemas de acondicionamiento de aire lo que se hace es mezclar el aire del
exterior con el interior, lo cual nos dará como resultado un aire con diferentes
valores en sus propiedades psicrométricas antes de entrar a los equipos
acondicionadores de aire. Con esta mezcla ayudamos a reducir la capacidad los
equipos acondicionadores de aire y por lo tanto se ahorra energía y dinero. Es
importante mencionar que este tipo de acondicionamiento de aire tiene sus
restricciones, ya que este solo puede ser usado en espacios donde no se requiera
que la pureza del aire se alta, por ejemplo: Escuelas, Oficinas, Iglesias, Etc. Por el
contrario no es recomendado utilizarlo en: Quirófanos, Procesos Industriales,
Lugares donde el aire presenta desprendimientos de gases tóxicos. Para entender
mejor este proceso se muestra a continuación un diagrama de como funciona un
sistema de aire acondicionado con recirculación. Fig. 1.5
Fig. 1.5 Funcionamiento del SAA con recirculación.
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25
Los sistemas de aire acondicionado de autobuses trabajan con recirculación por lo
cual la importancia de mencionar como funcionan estos sistemas con
recirculación.
TIPOS DE AIRE ACONDICIONADO
En este proyecto se mencionan los tipos de equipo de aire acondicionado para
entender el porque se va a calcular y seleccionar un equipo acondicionar de aire
tipo paquete.
Sistema de aire acondicionado Compacto: Comúnmente también conocido
como sistema de ventana o autónomo. Es un equipo unitario, compacto y
de descarga directa, es decir el aire enfriado es expulsado directamente al
espacio a través de la unidad. Generalmente se utilizan para acondicionar
espacios pequeños e individuales.
Fig.1.6 SAA Compacto
Sistema de aire acondicionado Portátil: Es un equipo unitario, compacto, de
descarga directa, es decir el aire enfriado es expulsado directamente al
espacio a través de la unidad y es transportable de un espacio a otro. La
mayoría de estos equipos poseen una salida al exterior a través de un tubo
flexible el cual es colocado en ventanas para la expulsión del aire. Resuelve
de forma adecuada las necesidades mínimas de acondicionamiento en
habitaciones de viviendas y en pequeños locales.
Fig.1.7 SAA Portátil
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Sistema de aire acondicionado tipo Split: Son equipos de descarga directa
llamados también descentralizados. Se diferencian de los compactos ya
que la unidad formada por el compresor y el condensador está situada en el
exterior, mientras que la unidad evaporadora se instala en el interior. Se
comunican entre sí por las líneas de refrigerante y conexiones eléctricas
Fig. 1.8 SAA Tipo Split
Sistema de aire acondicionado Central Separado: Es un equipo de
descarga indirecta ya que el aire se distribuye a través de ductos el cual es
expulsado en los diferentes espacios por medio de difusores, cuenta con
una unidad evaporadora y una condensadora, estas dos unidades se
conectan entre sí por medio de una tubería de cobre de dos líneas, la
primera para llevar el refrigerante y la otra para regresarlo.
Fig. 1.9 SAA Central Separado
Sistema de aire acondicionado tipo Paquete: Estos aires acondicionado son
de tipo central, donde sus unidades están auto contenidas, es decir el
condensador y el evaporador se encuentran en el mismo sistema y el aire
se distribuye a los distintos espacios a través de ductos. Es utilizado en
edificaciones de gran tamaño, por ejemplo; bancos, oficinas, centros
deportivos, restaurantes, también son usados en espacios móviles como los
autobuses, etc. Estos equipos se instalan en el exterior, generalmente en
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27
losas de techos; las dimensiones de estas unidades varían de acuerdo a la
capacidad, las más usadas son de: 3.0 TR a 30.0 TR.
Fig. 1.10 SAA Tipo Paquete de un Autobús.
Sistema de aire acondicionado tipo Chiller: Es un equipo de descarga
indirecta, ya que el aire se distribuye a los diferentes espacios por medio de
ductos. Se compone por un sistema central que se encarga de enfriar un
fluido, generalmente agua, el cual se distribuye a los diferentes equipos de
enfriamiento ubicados en las áreas que requieren de climatización. El agua
helada pasa desde la unidad exterior a través de tuberías (PVC, PE, Cobre
o Acero) hacia las unidades manejadoras de aire (UMA) o unidades
denominadas fan coils, que son las que se encargan de distribuir el aire
acondicionado hacia los ductos (estas desempeñan la función de los
evaporadores descritas en los sistemas anteriores).Fig.1.11
Fig. 1.11 SAA Chiller
APLICACIONES DEL AIRE ACONDICIONADO
El uso del aire acondicionado tiene dos aplicaciones:
La comodidad del ser humano en los espacios que este ocupa.
En procesos industriales.
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28
Las condiciones de diseño en los procesos industriales dependerán al 100% de la
naturaleza del mismo, en cambio las condiciones de diseño de los aires
acondicionados ocupados para dar comodidad a los seres humanos dependerán
de las demandadas por el cuerpo. Según la ASHRAE las condiciones de diseño
para un espacio ocupado por seres humanos son las siguientes:
Temperatura interior 72 a 76 °F dependerá mucho la edad de las personas
para determinar que temperatura utilizar, ya que en los asilos también es
usado este sistema, donde las personas son mayores a 65 años.
Porciento de Humedad relativa 50 a 55%
ASHRAE NORMA 55.
Casos típicos acondicionamiento de aire para la comodidad humana
En residencias
Edificios de oficinas o departamentos
Hospitales (áreas generales)
Bancos, Hoteles, Restaurantes
Supermercados
Iglesias
Auditorios, Teatros
Casos típicos acondicionamiento de aire para la conservación y procesos
industriales
Hospitales (Quirófanos y Laboratorios)
Centros de computo
Industrias textiles
Industrias Farmacéuticas
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1.2.3 ESTUDIO PSICROMÉTRICO DEL AIRE.
Psicrometría es una rama de la ciencia por la cual se estudian las
propiedades termodinámicas del aire húmedo y del efecto de la humedad
atmosférica en los materiales y en el confort humano.
Este aire, conocido como aire húmedo, está constituido por una mezcla de aire
seco y vapor de agua.
El aire seco es una mezcla de varios gases. Su composición general es la
siguiente:
Nitrógeno: 77%
Oxígeno: 22%
Dióxido de carbono y otros gases: 1%
En relación con su temperatura, el aire tiene la propiedad de retener cierta
cantidad de vapor de agua. A menor temperatura, menor cantidad de vapor, y a la
inversa: a mayor temperatura, mayor cantidad de vapor de agua, si se mantiene
éste a presión atmosférica constante.
PROPIEDADES PSICROMÉTRICAS
Las propiedades psicrométricas que se estudian para obtener un análisis de la
condición del aire son las y las que se pueden encontrar en la carta psicrométrica:
Fig.1.12
Fig. 1.12 Carta Psicrométrica
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30
Temperatura de Bulbo Seco.- Es la que mide con un termómetro ordinario y es
la medida del calor sensible del aire expresado en °F Fig.1.13
Fig.1.13 Líneas de temperatura de bulbo seco º F.
Temperatura de Bulbo Húmedo.- Es la segunda propiedad del aire de nuestra
carta psicrométrica. Indica la cantidad de calor total contenido en el aire esta
expresada en °F. Fig.1.14
Figura 1.14 Líneas de temperatura de bulbo húmedo º F.
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31
Temperatura de Punto de Rocío.- Es la temperatura debajo de la cual el vapor
de agua en el aire, comienza a condensarse. Fig.1.15
Figura 1.15 Líneas de temperatura de punto de rocío º F.
Humedad Relativa.- Se define como la relación de la presión del vapor en el
aire con la presión de saturación del vapor correspondiente a la misma
temperatura existente, o bien es la relación de la densidad del agua en el aire
con la densidad de saturación del vapor. Fig.1.16
Fig.1.16 Líneas de humedad relativa %.
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32
Humedad Absoluta.- La humedad absoluta, es el peso real de vapor de agua
en el aire. También se le conoce como humedad específica. La escala de la
humedad absoluta, es la escala vertical (ordenada) que se encuentra al lado
derecho de la carta psicrométrica, como se indica en la Fig.1.17.
Fig.1.17 Líneas de humedad absoluta en grs de vapor de agua/lb de aire seco
Entalpía.- Es el calentamiento de aire seco. Es la cantidad de calor necesario
para que exista un aumento de temperatura. Fig.1.18
Fig.1.18 Líneas de entalpía total en BTU/lb de aire seco.
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33
Volumen Específico.
Es el volumen en ft3 que ocupa una libra de aire Fig.1.19
Fig.1.19.Líneas de volumen específico ft3/lb AS
HUMIDIFICACIÓN Y DESHUMIDIFICACIÓN
Que es la humedad:
Humedad, medida del contenido de agua en la atmósfera. La atmósfera contiene
siempre algo de agua en forma de vapor. La cantidad máxima depende de la
temperatura; crece al aumentar ésta: a 4,4 °C, 1.000 kg de aire húmedo contienen
un máximo de 5 kg de vapor; a 37,8 °C 1.000 kg de aire contienen 18 kg de vapor.
Cuando la atmósfera está saturada de agua, el nivel de incomodidad es alto ya
que la transpiración (evaporación de sudor corporal con resultado refrescante) se
hace imposible.
El peso del vapor de agua contenido en un volumen de aire se conoce como
humedad absoluta y se expresa en unidades de masa de agua por unidades de
masa o de volumen de aire seco. Frecuentemente se utiliza la medida de gramos
de vapor de agua por metro cúbico de aire. La humedad relativa, dada en los
informes meteorológicos, es la razón entre el contenido efectivo de vapor en la
atmósfera y la cantidad de vapor que saturaría el aire a la misma temperatura.
Si la temperatura atmosférica aumenta y no se producen cambios en el contenido
de vapor, la humedad absoluta no varía mientras que la relativa disminuye. Una
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34
caída de la temperatura incrementa la humedad relativa produciendo rocío por
condensación del vapor de agua sobre las superficies sólidas.
Deshumidificación:
La deshumidificación es el proceso de retirar el vapor de agua contenida en el
aire, llamada también humedad. Existen diferentes procesos para remover la
humedad del aire, estos son: por enfriamiento, hasta alcanzar una temperatura por
debajo del punto de rocío, por el incremento de la presión total, lo cual causa la
condensación, y por último poner en contacto un desecante con el aire, con lo
cual, la humedad del aire migra hacia el desecante, impulsado por la diferencia en
las presiones de vapor entre el aire y el desecante.
1.2.5 BALANCE TÉRMICO
Para poder desarrollar un proyecto de acondicionamiento de aire o refrigeración
en ingeniería es necesario realizar un balance térmico, pero ¿Qué es un balance
térmico? Es la cuantificación de cantidad de calor que se necesita absorber o
suministrar a un espacio a acondicionar, es la relación entre las entradas y salidas
de energía térmica de un espacio a acondicionar en función del tiempo.
¿Para que sirve el balance térmico? Una respuesta muy sencilla para determinar
la cantidad de calor que pierde o gana un espacio. Una respuesta mayor detallada
para determinar el valor de calor ganado o perdido debido a todos los factores que
intervienen en la pérdida o ganancia de calor. Por ejemplo el intercambio de calor
por conducción y convección que sufre un espacio debido a la temperatura interior
del espacio y la temperatura exterior ósea la ambiente.
En los lugares donde se acondiciona con aire se produce la ganancia y pérdida de
calor debido a los siguientes factores:
Ganancia de energía térmica debido a los ocupantes.
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35
Ganancia o pérdida de energía térmica debido a la transferencia en muros,
ventanas, puertas y techo (En el caso de este proyecto carrocería y
ventanas).
Ganancia de calor debido a radiación solar.
Ganancia de calor debido a iluminación.
Ganancia de calor debido a equipo y maquinaria.
Ganancia o pérdida de calor debido a infiltración.
Estos son los factores principales por lo cuales un espacio puede ganar o perder
calor, lo cuales en el siguiente capítulo se dará a conocer la ecuaciones que se
utilizan para su cálculo.
Para realizar un balance térmico es de vital importancia determinar los materiales
de los cuales están construidos los espacios que se van a acondicionan con aire,
ya que esto influirá bastante en el resultado del balance térmico, así como las
condiciones psicrométricas del aire a considerar.
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36
CAPÍTULO II
INGENIERÍA
BÁSICA
En este capítulo se establecerán los conocimientos básicos de ingeniería para así
poder desarrollar un proyecto de acondicionamiento de aire, aplicando la correcta
metodología de cálculo.
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37
2.1 ANALISIS DEL PROYECTO.
El desarrollo de este proyecto se realiza con base a las sin fin de aplicaciones que
tiene el aire acondicionado y una de estas es en la industria del transporte, donde
la aplicación de este sistema la vemos en los autobuses de pasajeros de uso
turístico. En estos espacios acondicionados su uso es muy importante, ya que la
mayoría de los viajes que se realizan en la republica mexicana su duración son
mínimo dos horas, en las cuales los pasajeros buscaran un lugar que ofrezca
comodidad para que su viaje no se vuelva un infierno.
La republica mexicana es uno de los países donde podemos encontrar la mayoría
de los climas que existen en nuestro planeta, en donde únicamente no se
encuentra el clima polar (las temperaturas en este clima son menores a los 5°C en
la mayor parte del año). Las temperaturas bajas en la republica tienen una época
en específica las cuales abarca los meses de Noviembre a Febrero. Por lo
mencionado el proyecto tendrá que funcionar tanto para verano como invierno,
debido a que los viajes se realizan en toda la época del año.
El proyecto tendrá que cumplir con las especificaciones de diseño para sistemas
de aire acondicionado en espacios ocupados por personas, donde la selección de
la temperatura de diseño tendrá una gran importancia, estos espacios son móviles
y son ocupados cada día por personas jóvenes o de la tercera edad , y como se
ha mencionado en el capítulo anterior existe un rango de temperatura de diseño
por lo cual se tendrá que garantizar la comodidad de todo tipo de personas
seleccionando una temperatura ofrezca una espacio como para las personas
jóvenes y de la tercera edad.
2.2 DESCRIPCIÓN DEL PROYECTO.
El proyecto a desarrollar consistirá en realizar el cálculo de la capacidad de los
equipos acondicionadores tipo paquete con recirculación para un autobús de
pasajero de uso turístico, el cual deberá de asegurar la comodidad de la personas
tanto en invierno como en verano. También deberá de seguir la metodología de
cálculo, la cual deberá de ser confiable y normalizada.
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38
Para el área a acondicionar con aire se considerará un autobús de 1998, que su
capacidad es de 38 personas. Se hará el cálculo para temperaturas críticas, pero
considerando que este proyecto solo se hará para nivel nacional, ya que como
sabemos los autobuses se exportan a todas partes del mundo, por lo cual se
tomará la temperatura críticas de dos lugares ubicados en la republica mexicana,
el primero será para verano y el segundo para invierno.
El proyecto trabajará con recirculación de aire, esto para lograr el ahorro de
energía y dinero. Los sistemas de aire acondicionado en autos o autobuses su
compresor que es un elemento importante en el sistema de refrigeración, utiliza
energía mecánica generada por el motor de combustión interna por lo cual tener
un sistema de alta calidad de aire aumentaría bastante el consumo de combustible
y los sistemas de aire acondicionado no serían rentables para su uso en
automóviles y autobuses.
Se debe mencionar que el proyecto se desarrollará a nivel académico, por lo tanto
solo se calcularan las capacidades de los equipos y se hará una selección, para
demostrar la veracidad del método que se utilizará, ya que en la actualidad se
ocupan software para el cálculo de los sistemas acondicionadores de aire.
En la siguiente figura se muestra una ilustración de la descripción e instalación del
sistema.
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39
2.3 METODOLOGÍA DE CÁLCULO
Para todo proyecto de Aire Acondicionado se debe realizar un Balance Térmico
para saber cuanto calor gana o pierde el espacio a acondicionar. Los conceptos
que interviene el Balance Térmico son los siguientes:
1. Ganancia o Pérdida de calor a través de Muros, Puertas, Techo y
Ventanas (Ver=+; Inv= -).
2. Ganancia de calor por Ocupantes ( Ver = Inv =+).
3. Ganancia o Pérdida de calor de Infiltración (Ver=+; Inv= -).
4. Ganancia de Calor por Alumbrado y Equipo ( Ver = Inv =+).
5. Ganancia de Calor por Efecto Solar (Ver=+; Inv=0)
NOTA: Se debe mencionar que en los proyectos de aire acondicionado para
autobuses el concepto ganancia de calor por efecto solar no se considera, ya que
estos espacios son móviles y el tiempo que permanecen estáticos es muy poco.
Además sus ventanas están polarizadas lo cual hace más difícil que exista una
ganancia de calor por este efecto. Los autobuses viajan a velocidades mayor o
igual a 90 Km/h a esa velocidad la película de aire que se forma impide que exista
una transferencia de calor por este efecto solar. A mayor velocidad la densidad del
aire aumenta.
Otro concepto que no se considerará es la ganancia de calor por alumbrado y
equipo, ya que el calor ganado por alumbrado en espacios móviles es muy poco y
no realizar este cálculo no afectara en nada el resultado final. La parte de equipo
no se considera, ya que los equipos paquetes, sus equipos van por fuera del
espacio, por lo cual no generan ganancia de calor.
CÁLCULO DEL BALANCE TERMICO.
En este capítulo se mostrará la metodología de cálculo que se utiliza para
desarrollar un balance térmico para verano o invierno en aire acondicionado. Cabe
mencionar que solo se mostrarán las ecuaciones de los factores que afectan en la
ganancia o pérdida de calor de los espacios móviles.
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40
CÁLCULO DE LA GANANCIA O PÉRDIA DE CALOR A TRAVÉS DE
PUERTAS, TECHO Y VENTANAS
( ) ( )
( )
Donde:
( )
(
)
( )
CÁLCULO DEL COEFICIENTE GLOBAL DE TRANSFERENCIA DE
CALOR
( )
Donde:
(
)
( )
(
)
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41
TABLA 2.1 MATERIALES DE CONSTRUCCIÓN.
MATERIAL (
)
MATERIAL (
)
Lana mineral 0.25 Ladrillo común 4.0
Fibra de madera 0.26 Vidrio 5.0
Papel 0.26 Aplanado de
cemento
5.5
Paja de vidiro 0.27 Concreto 8.0
Corcho 0.028 Piedra 12.0
Asbesto 0.30 Tabique
refractario
12.5
Pulpa de madera 0.30 Mármol 15.0
Bagazo de caña 0.34 Granito 20.0
Algodón 0.34 Acero 22.0
Aserrín suelto 0.36 Hierro 300
Madera de pino 0.40 Zinc 35
Madera de caoba 0.78 Aluminio 770
Tierra suelta 0.90 Cobre 1380
Aplanado de yeso 3.0 Plata animal 2665
Aplanado de cal 3.3 Lana 2840
Nota. Coeficientes de conductividad térmica de algunos materiales
CÁLCULO DE LA GANANCIA DE CALOR SENSIBLE POR OCUPANTES
( ⁄ )( )
Donde:
( ⁄ )
( ⁄ )
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42
TABLA 2.2 CALOR SENSIBLE Y LATENTE DESPRENDIDO POR PERSONA.
Tipo de actividad hs(
) hl(
)
Para personas sentadas en reposo 195 155
Para personas sentadas con trabajo ligero 195 205
Para personas paradas con trabajo ligero 200 250
Para personas caminando en intervalos 200 300
Para personas con trabajo ligero
220 530
Para personas con trabajo medio 300 700
Para personas con trabajo pesado 465 985
Para personas con trabajo muy pesado 500 1500
CÁLCULO DE GANANCIA O PÉRDIDA DE CALOR POR INFILTRACIÓN
( ) ( ) ( ⁄ ) ( )
Donde:
( ⁄ )
( )
( )
( )
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43
TABLA 2.3 CAMBIOS DE AIRE POR HORA DEBIDO A LA INFILTRACIÓN.
CARACTERISTICAS DEL ESPACIO
NUMERO DE CAMBIOS DE VOLUMEN
DE AIRE POR HORA
Espacios con puerta y/o ventanas interiores 0.5-0.75
Espacios con puerta y/o ventanas en un
muro exterior
.75-1.0
Espacios con puerta y/o ventanas en dos
muros exteriores
1.0-1.5
Espacios con puerta y/o ventanas con tres
muros exteriores
1.5-2.0
Espacios con puerta y/o ventanas con
cuatro muros exteriores
2.0-3.0
CÁLCULO DE CALOR SENSIBLE GANADO O PERDIDO TOTAL (BT)
La siguiente ecuación tiene una gran importancia en el cálculo del balance térmico
ya que es el resultado de la suma o resta de todos los calores ganados o perdidos
del espacio a acondicionar.
( ) ( ⁄ ) ( )
Donde:
( ⁄ )
( ⁄ )
( ⁄ )
( ⁄ )
( ⁄ )
( ⁄ )
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44
A partir de aquí las siguientes ecuaciones servirán para calcular las capacidades
de los equipos acondicionadores de aire.
CÁLCULO DE LA GANANCIA DE CALOR LATENTE POR OCUPANTES
( )
Donde:
( ⁄ )
# de personas= Numero de personas en el espacio
( ⁄ )
CÁLCULO DE LA CAPACIDAD DE LA UMA
CÁLCULO DEL FACTOR DE CALOR SENSIBLE
( )
Donde:
( ⁄ )
( ⁄ )
Este parámetro sirve para trazar la línea de acondicionamiento para el método
gráfico y determinar el valor numérico de la temperatura de inyección.
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45
CÁLCULO DEL FLUJO VOLUMÉTRICO
( )
Donde:
( ⁄ )
( ⁄ )
( )( )
CÁLCULO DEL FLUJO MÁSICO
( )
Donde:
( ⁄ )
( ⁄ )
CÁLCULO DE LA TEMPERATURA DE INYECCIÓN
( )
Donde:
( )
( ⁄ )
( ⁄ )
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46
CÁLCULO DE LA ENTALPÍA EN EL PUNTO DE INYECCIÓN
( )
Donde:
( ⁄ )
( ⁄ )
( ⁄ )
( ⁄ )
CÁLCULO DE LA TEMPERATURA DE MEZCLA
( )
Donde:
( )
( )
( )
( ⁄ )
( ⁄ )
CÁLCULO DE LA HUMEDAD ABSOLUTA DE MEZCLA
( )
Donde:
( ⁄ )
( ⁄ )
( ⁄ )
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47
( ⁄ )
( ⁄ )
CÁLCULO DE LA CAPACIDAD DEL SERPENTÍN DE CALENTAMIENTO
O ENFRIAMIENTO
( ) ( )
( )
Donde:
( ⁄ )
( ⁄ )
( )
( )
CÁLCULO DE LA CAPACIDAD DE LOS DESHUMIFICADORES O
HUMIDIFICADORES
( ) ( )
( )
Donde:
( ⁄ )
( ⁄ )
( ⁄ )
( ⁄ )
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48
CAPÍTULO III
DESARROLLO
DEL PROYECTO
En este capítulo se desarrollará la memoria de cálculo para determinar la
capacidad de los equipos y así poder seleccionarlos. Además se desarrollará el
plano y diagrama de funcionamiento del sistema.
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49
3.1 DATOS DE DISEÑO
Para desarrollar un sistema de aire acondicionado siempre es importante obtener
los datos de diseño, y no solamente para este tipo de proyectos, sino en general
para todo proyecto de ingeniería, es importante conocer bajo que condiciones
funcionan los sistemas de cualquiera que sea el área de Ingeniería.
Se llama datos de diseño a todas las condiciones físicas normalizadas que se
localizan en el lugar. El proyecto de aire acondicionado utilizará las condiciones a
las que se quiere acondicionar un espacio para la confortabilidad de las personas.
En este caso se trata de las propiedades psicrométricas a las que se debe
encontrar el aire ambiental y requeridas.
En este proyecto tendremos que marcar una principal condición de diseño que
solo será a nivel nacional, por lo cual se tomarán dos lugares donde tengan
temperaturas criticas, una para verano y la otra para invierno.
A continuación se darán a conocer las condiciones físicas normalizadas y
ambientales (dos lugares con propiedades psicrométricas críticas del aire).
CONDICIONES GEOGRÁFICAS DEL LUGAR:
De acuerdo con una tabla de temperaturas de la republica mexicana (HVAC) se
encontraron los dos lugares donde se presentan temperaturas críticas en verano e
invierno
TABLA 3.1 CONDICIONES AMBIENTALES PARA VERANO (PUNTO 3) (HVAC)
Fig.3.1 FACTORES VALORES
Lugar Ciudad Obregón, Sonora
Altitud S.N.M. 130 ft
%HR 28
Temperatura Bulbo Seco 109.4°F
Temperatura Bulbo Húmedo 77°F
Velocidad Promedio del Aire 10.7 Km/h promedio
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50
Fig.3.2
TABLA 3.2 CONDICIONES AMBIENTALES PARA INVIERNO(PUNTO 3)(HVAC)
FACTORES VALORES
Lugar Ciudad Juárez, Chihuahua
Latitud 31°44´
Longitud 106°29´
Altitud S.N.M. 3730 ft
%HR 62%
Temperatura Bulbo Seco 19.4°F
Velocidad Promedio del Aire 17 Km/h promedio
CONSIDERACIONES INTERIORES DE DISEÑO:
Para obtener estos parámetros de diseño para la confortabilidad de los seres
humanos en un espacio los valores son los siguientes:
TABLA 3.3 CONDICIONES DE COMODIDAD PARA EL DISEÑO DE
INTERIORES
CONDICIONES VALORES
Temperatura Bulbo Seco 74°F
%HR 55
Cambios por Hora 1.5
Norma 55 ASHRAE
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51
3.4 TABLA DE MATERIALES DEL AUTOBÚS
PARTE MATERIAL K(BTU/h-ft-°R) e(mm)
Carrocería
(Puertas,Techo,etc)
Acero al carbón
Simple (Mn<1%,
Si<0.1%)
Corcho
28.3
0.028
4.7
1.73
Ventanas Vidrio Polarizado 0.019-0.008 6
3.2 MEMORIA DE CÁLCULO
TABLA 3.5 PROPIEDADES DEL AIRE
PROPIEDAD VALOR
P 2116.8 Lb/ft2
R 53.54 Lb-ft/Lb-R
Cp 0.24 BTU/Lb-°F
3.2.1 BALANCE TÉRMICO PARA VERANO
A continuación se desarrollará el balance térmico para verano el cual nos servirá
para saber cual es la carga térmica total que gana el espacio.
TABLA 3.6 CONDICIONES DEL BALANCE TÉRMICO PARA VERANO
CONDICIONES VALORES
No. De Personas 38 ocupantes
Temperatura Exterior (TBS3) 109.4°F
Temperatura Interior (TBS2) 74°F
Velocidad del Viento 10.7 Km/h
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52
CÁLCULO DE LA GANANCIA DE CALOR POR TRANSMISIÓN EN
CARROCERÍA Y VENTANAS.
( ) ( )
CÁLCULO DE ÁREA VENTANAS
VENTANAS LATERALES
( )
( ) (
)
PARABRISA
( )
( ) (
)
VENTANA CONDUCTOR = VENTANA PUERTA DE ENTRADA
( )
( ) (
)
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53
CÁLCULO DEL ÁREA DE LA CARROCERÍA
CARROCERÍA LATERAL
( )
ÁREA LLANTAS
[( )( )
] (
)
[ ( )( ) (
)
] ( )
CARROCERÍA FRONTAL
( )
( ) (
)
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54
CARROCERÍA TRASERA
( )
( ) (
)
CARROCERÍA TECHO
( )
( ) (
)
ÁREAS TOTALES
( )
( ( ))
CÁLCULO DEL COEFICIENTE GLOBAL DE TRANSFERENCIA DE CALOR
( )
CÁLCULO DE LA PELICULA DE AIRE
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55
(
) ⁄
(
) ⁄
[
(
)]
[
(
)]
( ) (
) ( )
( ) (
) ( )
( )
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56
CÁLCULO DE LA GANANCIA DE CALOR POR OCUPANTES.
( )
( ) (
)
CÁLCULO DE LA GANANCIA DE CALOR POR INFILTRACIÓN
( ) ( )
( )( )( ) (
)
( ⁄ ) ( )
(
) ( )
( ) (
) ( ) ( )
CÁLCULO DE LA GANANCIA TOTAL DE CALOR EN VERANO
( )
( )
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57
3.2.2 BALANCE TÉRMICO PARA INVIERNO
En el balance térmico de invierno las condiciones climáticas a considerar son las
críticas de uno de los lugares de la republica mexicana donde se registran las
temperaturas mas bajas, la metodología es la misma que en el balance térmico
para verano, pero en esta ocasión es la perdida total de carga térmica del espacio.
CÁLCULO DE LA PÉRDIDA DE CALOR POR TRANSMISIÓN
( )( )
CÁLCULO DEL COEFICIENTE GLOBAL DE TRANSFERENCIA DE CALOR
( )
CÁLCULO DE LA PELICULA DE AIRE
(
) ⁄
(
) ⁄
[
(
)]
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58
[
(
)]
( ) (
) ( )
( ) (
) ( )
( )
CÁLCULO DE LA GANANCIA DE CALOR POR OCUPANTES.
( )
( ) (
)
CÁLCULO DE LA PÉRDIDA DE CALOR POR INFILTRACIÓN.
( ) ( )
( ) (
) ( ) ( )
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59
CÁLCULO DE LA PÉRDIDA TOTAL DE CALOR EN INVIERNO
( )
( )
3.2.3 CÁCULO DE LA CAPACIDAD DE LA MANEJADORA DE AIRE Y LA
TEMPERATURA DE INYECCIÓN PARA VERANO E INVIERNO.
La manejadora de aire es un componente muy importante dentro de los sistemas
acondicionadores de aire de ella depende la cantidad de aire que se suministrará
a un espacio por segundos, minutos o horas.
CÁLCULO DE LA TEMPERATURA DE INYECCIÓN PARA VERANO.
Para obtener el valor de la temperatura de inyección en verano, se utilizará un
método de Factor de Calor Sensible, el cual es usado únicamente para verano.
TABLA 3.7 VALORES DE LAS PROPIEDADES PSICROMÉTRICAS PUNTO 2
(DISEÑO)
TBS2 74°F
%HR2 55
ha2 0.0097 LbVA / LbAS
HT2 28.7 BTU /Lb
NOTA: Los dos últimos valores fueron obtenidos de la carta psicrométrica.
TABLA 3.8 VALORES DE LAS PROPIEDADES PSICROMÉTRICAS DEL
PUNTO 3 VERANO
TBS3 109.4°F
%HR 28
ha3 0.014 LbVA / LbAS
HT3 41.9 BTU /Lb
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60
NOTA: Los valores obtenidos en la tabla son resultado de graficar el punto 3 en la
tabla psicrométrica de acuerdo con los valores dados: temperatura de bulbo seco
y porciento de humedad relativa.
CÁLCULO DEL CALOR LATENTE POR OCUPANTES
( )
( )(
⁄ )
⁄
CÁLCULO DEL FACTOR DE CALOR SENSIBLE
( )
( ) ⁄
( ) ⁄
Ya obtenido el valor del factor de calor sensible, se trazarán dos líneas paralelas
en la carta psicrométrica, la primera a trazar será con los valores de diseño y la
segunda con el valor de factor de calor sensible ajustada a 90% HR, para obtener
los valores del punto de inyección.
TABLA 3.9 VALORES DE LAS PROPIEDADES PSICROMÉTRICAS DEL
PUNTO DE INYECCIÓN PARA VERANO.
TBS1 61°F
ha1 0.0103 LbVA / LbAS
HT1 26 BTU /Lb
NOTA: Valores obtenidos de la carta psicrométrica utilizando el método del F.C.S.
Trazo del factor de calor sensible. Fig. 3.3
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61
Fig.3.3. Trazo del F.C.S
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62
CÁLCULO DE LA CAPACIDAD DE LA MANEJADORA DE AIRE.
( )
( ⁄ )
( )
⁄
(
⁄ ) ⁄ ( )
CÁLCULO DE LA TEMPERATURA DE INYECCIÓN PARA INVIERNO.
( )
(
⁄
⁄) ⁄
(
) ( ) ⁄
(
⁄ ) ( ⁄ ) ⁄
( ⁄ )
(
)
CÁLCULO DE LA ENTALPIA DEL PUNTO DE INYECCIÓN PARA INVIERNO
( )
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63
(
⁄ ⁄ )
⁄
(
⁄ ) ( ⁄ )
( ⁄ ) ⁄
3.2.4 CICLO PSICROMÉTRICO DE ACONDICIONAMIENTO DE AIRE PARA
VERANO E INVIERNO.
CÁLCULO DE LA TEMPERATURA DE MEZCLA PARA VERANO
( )
( )( ⁄ )
⁄
( )( ⁄ )
⁄
( )( ⁄ ) ( )(
⁄ )
( ⁄ ) ( ⁄ )
CÁLCULO DE LA TEMPERATURA DE MEZCLA PARA INVIERNO
( )
( )( ⁄ )
⁄
( )( ⁄ )
⁄
( )( ⁄ ) ( )(
⁄ )
( ⁄ ) ( ⁄ )
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64
VERANO
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65
INVIERNO
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66
3.2.5 CÁLCULO DE LA CAPACIDAD DEL EQUIPO ACONDICIONADOR DE
AIRE
CÁLCULO DE LA CAPACIDAD DEL SERPENTÍN DE ENFRIAMIENTO
( ) ( )
( ⁄ ) (
) ( )
CÁLCULO DE LA CAPACIDAD DE LOS DESHUMIFICADORES
( ) ( )
( ⁄ )( )
⁄
CÁLCULO DE LA CAPACIDAD DEL SERPENTÍN DE CALENTAMIENTO
( )( )
( ⁄ ) (
) ( )
CÁLCULO DE LA CAPACIDAD DE LOS HUMIFICADORES
( ) ( )
( ⁄ )( )
⁄
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67
3.3 SELECCIÓN DEL EQUIPO ACONDICIONADOR DE AIRE
AC-343
Ventajas Sobresalientes:
Tablero de control auto configurable y de
instalación fácil
Conectores Waterproof
Compresor durable de poco ruido
Condensador con protección adicional
Condensador y evaporador con tubería grooved
que brinda mayor eficacia del sistema.
Gas refrigerante HFC - 134ª
Sin efectos dañinos sobre la capa de ozono
Mejor rendimiento y mayor durabilidad
Dispositivo de seguridad y fácil acceso para
mantenimiento
TABLA 3.10 DATOS TÉCNICOS DEL EQUIPO ACONDICIONADOR DE AIRE
DATOS TÉCNICOS AC-343 CARRIER
Capacidad máxima de enfriamiento 105,000 BTU/h
Capacidad de calentamiento 123,000 BTU/h
Dimensiones(LxHxA) en mm 4261x1849x2351
Peso(Sin compresor) 200Kg
Renovación del aire 0-20%
Corriente total consumida 90ª
Tipo de tablero Electrónico
Panel de control Digital
Voltaje 24 volts
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68
3.4 DIAGRAMA DEL FUNCIONAMIENTO DEL PROYECTO
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69
3.5 PLANO DEL AUTOBÚS
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70
CAPÍTULO IV
MANTENIMIENTO
En este capítulo se desarrollará el programa de mantenimiento (mantenimiento
predictivo, preventivo y correctivo) que se implementa a los equipos
acondicionadores de aire tipo paquete para una autobús para su óptimo
funcionamiento. Además de mencionar cuales son los beneficios de aplicar
mantenimiento a estos sistemas.
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71
El mantenimiento que se debe proporcionar a los equipos pertenecientes a los
sistemas de acondicionamiento de aire es fundamental para poder proporcionar un
servicio continuo, de la calidad deseada y evitar paros innecesarios. Otro factor
muy importante es el de preservar la vida útil de los equipos y mantenerlos
funcionando en perfectas condiciones.
4.1 TIPOS DE MANTENIMIENTO
MANTENIMIENTO PREVENTIVO
Es el destinado a la conservación de equipos o instalaciones mediante realización
de revisiones y reparaciones que garanticen su buen funcionamiento y fiabilidad,
el mantenimiento preventivo se realiza en equipos en condiciones de
funcionamiento, por oposición al mantenimiento correctivo que repara o pone en
condiciones de funcionamiento aquellos que dejaron de funcionar o están dañados
MANTENIMIENTO PREDICTIVO
El mantenimiento predictivo se basa fundamentalmente en detectar una falla antes
que suceda, para dar tiempo a corregirla sin perjuicios al servicio, ni detención de
la producción. Para ello, se usan instrumentos de medición (diagnóstico) para
monitorear parámetros físicos y pruebas no destructivas al elemento en cuestión.
MANTENIMIENTO CORRECTIVO
Aquel que corrige los defectos observados en los equipamientos o instalaciones,
es la forma más básica de mantenimiento y consiste en localizar averías o
defectos y corregirlos o repararlos.
Históricamente es el primer concepto de mantenimiento que se planteo, y el único
hasta la primera guerra mundial, dada la simplicidad de los maquinas,
equipamientos e instalaciones de la época, mantenimiento era sinónimo de
reparar aquello que estaba averiado. Posteriormente se planteo que el
mantenimiento no solo tenia que corregir las averías, sin no que tenia que
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72
adelantarse a ellas garantizando el correcto funcionamiento de las maquinas,
evitando el retraso producido por las averías y sus consecuencia, dando lugar a lo
que se denomino: mantenimiento preventivo que es el que se hace,
preventivamente en equipo en funcionamiento, en evicción de posteriores averías,
garantizando un periodo de uso fiable.
CICLOS DEL AIRE ACONDICIONADO AUTOMOTRIZ
CICLOS DE ENFRIAMENTO Y CALEFACCION
A continuación explicaremos los ciclos de enfriamiento y calefacción.
CICLO DE ENFRIAMENTO
El vapor comprimido a alta presión sale del compresor y se dirige directamente al
condensador, donde la temperatura ambiente y el aire de sus 4 ventiladores
axiales absorben el calor del refrigerante cambiando su estado de vapor a liquido.
Inmediatamente pasa al tanque recibidor para almacenar el refrigerante sobrante,
y pasa al filtro deshidratador para eliminarle la humedad y pequeñas partículas
contaminantes. A continuación pasa hacia la mirilla, donde se verifica la carga de
refrigerante, después de este punto la tubería se divide en dos, cada una con una
válvula de expansión que regula el flujo a los dos serpentines evaporadores. Los
ventiladores centrífugos moverá el aire caliente del interior del autobús entre las
aletas de los serpentines evaporadores, evaporando así el líquido refrigerante y
enfriando el aire para ser inyectado al interior del automóvil y obtener así una
agradable temperatura.
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73
Este refrigerante (estado gaseoso) a baja presión entrara de nuevo al compresor y
se reiniciara el ciclo.
CICLO DE CALEFACCION
La calefacción funciona básicamente al accionar la válvula solenoide para dar
paso al agua caliente del motor principal hacia los serpentines de calefacción, en
los cuales se hará pasar una corriente de aire por medio de los ventiladores del
evaporador hacia el interior del automóvil, creando así una agradable temperatura
en el interior del mismo, y por medio del termostato electrónico tendremos un
rango de 28+-2grados centígrados, al aumentar esta temperatura la válvula
cerrara.
4.2 MANTENIMIENTO PREDICTIVO
Un mantenimiento básico preventivo constante, ahorrara gastos de mantenimiento
correctivo y problemas durante las horas de servicio, alargando la vida de su
equipo.
a) Compresor
Revisar el nivel de aceite de compresor semanalmente. Para realizar esto, opere
el equipo de aire acondicionado durante 5 minutos y después observe la mirilla del
compresor, el nivel de aceite deberá estar a la mitad de tres cuartos de la mirilla.
B) Carga de refrigerante
Para revisar la carga del refrigerante opere el equipo durante 5 minutos observe la
mirilla indicadora que se encuentra a la entrada de aire de retorno del evaporador,
en esta no deben verse burbujas, en caso de tenerlas agregue refrigerante hasta
que las burbujas desaparezcan.
b) Tensión de bandas
Revise la tensión de bandas y el estado de las mismas para evitar una falla
durante el funcionamiento
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74
c) Fusibles de tablero
Revise los fusibles del tablero para evitar que algún elemento (motores, válvula, o
clutch) deje de funcionar.
4.3 MANTENIMIENTO PREVENTIVO
CADA 6 MESES
A. Ídem revisión de cada viaje
B. Lavar los serpentines de condensador con agua y aire.
C. Lavar ventiladores de condensador con agua
D. Revisar seguros de fijación de la unidad evaporadora y condensadora
E. Limpiar con aire a presión los serpentines evaporadores y de
calefacción
F. Limpiar con aire los ventiladores del evaporador
G. Sopletear el sistema de drenaje
H. Revisión de embrague electromecánico
I. Peinado de aletado de condensador, evaporador y calefacción
J. Revisión de la válvula solenoide de calefacción
K. Cambiar filtros de aire.
L. Revisión del tablero
M. Limpieza con freón 11 de mangueras, compresor y serpentines
N. Cambio de aceite de compresor
O. Cambio de filtro deshidratador
P. Vacío y carga de gas
Q. Cambio de carbones de motores de evaporador y condensador
R. Prueba de funciones eléctricas y de enfriamiento
S. Limpiar filtro de succión
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75
4.4 MANTENIMIENTO CORRECTIVO
TABLA 4.1 MANTENIMIENTO CORRECTIVO
CONDICIÓN CAUSA PROBABLE ACCIÓN CORRECTIVA
EL COMPRESOR
INTENTA
ARRANCAR PERO
NO LO LOGRA
BAJO VOLTAJE DE
ALIMENTACIÓN AL
EMBRAGUE
VERIFICAR EL VOLTAJE
DE ALIMENTACIÓN
MAYOR A 11 VOLTS
EL COMPRESOR
PARA POR BAJA
PRESIÓN
FALTA DE
REFRIGERANTE
VÁLVULA DE
EXPANSIÓN SUCIA O
DEFECTUOSA
ELEMENTO DE PODER
DE LA VÁLVULA DE
EXPANSIÓN
DEFECTUOSA
SERPENTÍN
EVAPORADOR SUCIOS
VENTILADOR PARADO
RESTRICCION EN EL
SISTEMA
SISTEMA DE
CONTROL DE
CAPACIDAD MAL
AJUSTADO O
DEFECTUOSO
1. REPARAR LA FUGA Y
RECARGAR
2. LIMPIAR O
REEMPLAZAR LA
VÁLVULA
TERMOSTÁTICA
3. REMPLACE EL
ELEMENTO DE
PODER
4. LIMPIAR EL
SERPENTÍN
5. LIMPIAR O
REEMPLAZAR LOS
FILTROS
6. VER VENTILADOR DE
EVAPORADOR
PARADO
7. LOCALIZAR Y
QUITAR LA
RESTRICCIÓN
8. REPARAR O
AJUSTAR LOS
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76
DESCARGADORES
EL SISTEMA NO
ARRANCA
MALAS CONEXIONES
O ALAMBRE ROTO
SEÑALES DE
FUNCIONES SIN
OPERAR
1. VERIFICAR
CIRCUITO DE
SEÑALAS
EL COMPRESOR
NO ARRANCA
FUSIBLES O
CONTACTOS
DEFECTUOSOS DEL
REVELADOR
SOBRECARGA DE
COMPRESOR
ABIERTO
EMBRAGUE
MAGNÉTICO
QUEMADO
COMPRESOR
TRABADO
REVOLUCIONES DEL
MOTOR PRINCIPAL
SUPERIORES A 800
RPM
CORTE POR BAJA O
ALTA PRESIÓN
1.REEMPLACE LOS
CONTACTOS
2. DETERMINE LA
CAUSA DE LA
SOBRECARGA Y
CORRIJALA
3.REPARE EL
EMBREGUE O
REEMPLACELO
4.REPARAR O CAMBIAR
EL COMPRESOR
5. DESACELERAR EL
COMPRESOR
6.VER BAJA O ALTA
PRESIÓN
COMPRESOR
RUIDOSO
TORNILLOS DE
SUJECIÓN SUELTOS
BAJO NIVEL DE
ACEITE EN EL
COMPRESOR
VÁLVULA
1. VER EL
COMPRESOR
PIERDE ACEITE
2. REEMPLAZAR
VÁLVULAS Y
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77
DEFECTUOSA
SOBRECALENTAMIEN
TO DE LA VÁLVULA
MAL AJUSTADA
VÁLVULA DE
EXPANSIÓN TRABADA
FALSO CONTACTO
DEL BULBO DE LA
VÁLVULA DE
EXPANSIÓN
PLATO DE
VÁLVULAS
3. APRETAR
TORNILLOS
4. AJUSTAR EL
SOBRECALENTAM
IENTO
5. REPARAR O
REEMPLAZAR LA
VÁLVULA
6. MEJORAR EL
CONTACTO
COMPRESOR
PIERDE ACEITE
1. BAJA CARGA DE
REFRIGERANTE
2. BAJA PRESIÓN DE
SUCCIÓN
3. VÁLVULA DE
EXPANSIÓN
TRABADA,
TOTALMENTE
ABIERTA
4. RESTRICCIÓN EN EL
SISTEMA
5. TUBERIA DE
REFRIGERACIÓN MAL
DIMENSIONADA
1. REPARAR LA
FUGA Y RECARGA
EL SISTEMA CON
REFRIGERANTE Y
ACEITE
2. VER BAJA
PRESIÓN DE
SUCCIÓN
3. REPARAR O
REEMPLAZAR LA
VÁLVULA
4. LOCALIZARLA
RESTRICCIÓN Y
ELIMINARLA
5. REDIMENSIONAR
LA TUBERIA
NO ENFRÍA, Y EL
COMPRESOR
1. FALTA DE
REFRIGERANTE
1. REPARAR FUGA Y
RECARGA
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78
OPERA
CONTINUAMENTE
2. VÁLVULA DEL
COMPRESOR
DEFECTUOSA
3. AIRE O GASES NO
CONDENSABLES EN
EL SISTEMA
4. ALTA PRESIÓN DE
SUCCIÓN
2. PURGA DE AIRE
3. VER ALTA PRESIÓN
DE SUCCIÓN
4. REEMPLAZAR LAS
VÁLVULAS O EL PLATO
DE VÁLVULAS O
COMPRESOR
ENFRIA MUCHO Y
EL COMPRESOR
OPERA
CONTINUAMENTE
TERMOSTATO AJUSTADO A
MUY BAJA TEMPERATURA
PONER TERMOSTATO A
TEMPERATURA
DESEADA
PRESIÓN DE
SUCCIÓN ALTA
SOBRE CARGA DE
REFRIGERANTE
REDUCIR CARGA
PRESION DE
SUCCION BAJA
FALTA DE REFRIGERANTE REPARAR FUGA Y
RECARGAR
Para obtener en un sistema se aire acondicionado bajos costos de operación,
sugerimos prestar atención a los siguientes componentes.
1. Revisar y comprobar el buen funcionamiento de las válvulas de compresor
2. Revisar la carga apropiada de refrigerante
3. Limpiar los serpentines y filtros
4. Evitar altas presiones de descarga
5. Localizar adecuadamente el termostato
6. Aislar los ductos de aire
7. Seleccionar una unidad de capacidad adecuada o mayor de preferencia
8. Evitar el patinamiento de las bandas del compresor.
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4.5 BENEFICIOS TÉCNICOS Y ECONÓMICOS CON LA IMPLEMENTACIÓN
DEL MANTENIMIENTO.
Lejos de quesean beneficios es necesario y en algunos casos obligatorio hacer
uso del mantenimiento. A continuación se mencionaran algunas de las razones:
Cumplir la vida útil del sistema, equipo o maquina, nunca lograremos
alargar la vida de estos, ya que fueron diseñados específicamente para un
determinado tiempo.
Con el mantenimiento se obtiene una gran eficiencia, la cual se traduce en
ahorro económico, ya que si se opera casi a un 100%, no hay perdidas de
energía.
El impacto deseado es optimizar en forma económica la utilización y
disponibilidad de los equipos e instalaciones de servicios.
La medición del grado en que un mantenimiento ha contribuido a la mejora
resulta algo bastante difícil, ya que esto dependerá de varios factores tales
como: antigüedad de los equipos, presupuesto y calidad del mantenimiento.
Si el equipo esta preparado, la intervención en el fallo es rápida y la
reposición en el mínimo tiempo; no necesita una infraestructura excesiva,
con un grupo de operarios competentes será suficiente, el costo de mano
de obra es mínimo, al ser prioritaria la experiencia y la pericia de los
operarios.
Exige conocimiento de las maquinas y un tratamiento histórico que ayuda a
controlar la maquinaria e instalaciones.
La intervención en el equipo o cambio de un elemento. Nos obliga a
dominar el proceso y a tener datos técnicos, utilizando un método científico
de trabajo riguroso.
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CONCLUSIONES
Una vez analizado, investigado, comprendido y calculado el diseño de un sistema
de aire acondicionado para un autobús de pasajeros de uso turístico, en
condiciones críticas a nivel nacional se obtiene un grupo de perspectivas.
1. Que los sistemas de aire acondicionado automotriz son más sencillo
refiriéndose a equipos, que los sistemas de aire acondicionado domestico
e industriales.
2. Son considerados sistemas de mediana calidad ,con ahorro energético, y
económico ya que estos trabajan con sistema de recirculación.
3. Hoy en día el contar con estos sistemas ya no es un lujo si no una
necesidad ya que el calentamiento global ha provocado un aumento en las
temperaturas del planeta por los efectos de invernadero.
4. El refrigerante utilizado en el sistema es el R-134a es 100% ecológico a
diferencia del refrigerante anteriormente utilizado que era el R-12 más
conocido como Freón.
5. Realizar el proyecto tuvo su mayor complejidad en obtener datos de diseño
que en el cálculo, ya que la información es escasa y privada solo para la
industria automotriz.
6. El proyecto es una clara demostración de la aplicación de los
conocimientos que se obtienen en la carrera de ingeniería mecánica,
además de demostrar también una de las muchas áreas en las que trabaja
un ingeniero mecánico.
7. Para finalizar se concluye que la tesis trabajo lo más cercano a como se
realizan estos proyectos en la industria automotriz, los resultados que se
obtuvieron tienen como base la metodología que se enseña en la materia
de aire acondicionado, los datos que se dan en el proyecto los respaldan
libros, por lo cual los resultados obtenidos fueron muy satisfactorios a la
hora de hacer una comparación de un equipo de aire acondicionado de un
autobús y ver que son muy parecidos.
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RECOMENDACIONES
Se recomienda llevar un mantenimiento preventivo a los elementos que
conforman el sistema de aire acondicionado para que se encuentre en
óptimas condiciones de operación para que los estudiantes realicen sus
prácticas sin inconvenientes.
Evitar jugar con el control de mando, es decir, encender y apagar
continuamente el sistema de A/C
Es sumamente importante asegurarse que el sistema cuente con aceite. la
falta de lubricación es la principal causa de falla de compresores.
En un automóvil de verdad el uso de aire acondicionado aumenta un 20%
el consumo de combustible por lo que se recomienda usarlo
adecuadamente.
Se podría mejorar el sistema de A/C de este proyecto si la gestión de
control se diseñara con micro-controlador y se instalara la electrónica
necesaria para su implementación, pues los vehículos modernos ya la
implementan en los sistemas de aire acondicionado.
Se recomendaría un variador de frecuencia para variar las revoluciones de
rotación del motor eléctrico y simular de mejor forma un motor de
combustión interna, para de esa manera hacer las practicas lo más real
posible como si estuviéramos en un auto de verdad.
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REFERENCIA BIBLIOGRÁFICA
[1] Título: Calefacción, ventilación, y aire acondicionado: análisis y diseño
Autores:Faye C. McQuiston
Edición:1ra
Editorial:LimusaWiley, 2003
No. De páginas: 644 páginas
[2] Título: Termodinámica
Autores:Yanus A. Cengel, Michael A. Boles
Edición: 6a
Editorial: McGraw-Hill, 2009
No. De páginas: 1008 páginas
[3] Título: Acondicionamiento de aire: principios y sistemas
Autor: Edward Pita
Edición: 2da
Editorial: CECSA, 1997
No. De páginas: 548 páginas
[4] Título: Fundamentos de Aire Acondicionado y Refrigeración
Autor: Hernández Goribar
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Editorial:Limusa, 2010
No. De páginas: 443 páginas
[5] Título: Transferencia de calor y masa
Autor: Yanus A. Cengel
Edición: 3ra
Editorial: McGraw-Hill, 2007
No. De páginas: 891 páginas
[6] Título: Manual del Ingeniero Mecánico
Autores: Eugene A. Avallone, Theodore Baumeister
Edición: 9a
Editorial: McGraw-Hill, 2007
No. De páginas: 1800 páginas
[7] Título: Acondicionamiento de Aire
Autor: Ing. López Maldonado Agustín
No. De páginas: 232
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REFERENCIA ELECTRÓNICA
[8] http://noticias.autocosmos.com.mx/2007/5/29/como-funciona-el-aire-
acondicionado-de-tu-auto
[9] http://html.rincondelvago.com/circuito-de-aire-acondicionado.html
[10]http://autos.terra.com/noticias/funcionamiento_del_aire_acondicionado/a
ut25064/
[11] http://www.esnips.com/displayimage.php?pid=13854331
[12] http://www.aaisa.com/func_eq_aire_aa.htm
[13] www.carrierguadalajara.com.mx/ac343.php
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ANEXOS
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ANEXO A. TEMPERATURAS DE LA REPUBLICA MEXICANA HVAC
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87
ANEXO B. MANUAL CARRIER
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88
ANEXO C. TABLAS DE MATERIALES
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