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INGENIERÍA MECÁNICA

UNIVERSIDAD NACIONAL DE TRUJILLO

FACULTAD DE INGENIERIA

ESCUELA PROFESIONAL DE INGENIERIA MECANICA.

PROYECTO DE CÁLCULO DE CARGA TÉRMICA Y DISEÑO DE DUCTOS..

CURSO: REFRIGERACIÓN Y AIRE ACONDICIONADO

DOCENTE: ING. ELÍ GUAYÁN HUACCHA

ESTUDIANTE: SANCHEZ VASQUEZ JORDY.

CICLO: IX.

TRUJILLO

2015

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INGENIERÍA MECÁNICA

PROYECTO DE CÁLCULO DE CARGA TÉRMICA Y DISEÑO DE DUCTO.

Contenido

INTRODUCCIÓN..................................................................................................................................3

RESUMEN...........................................................................................................................................4

OBJETIVOS..........................................................................................................................................4

GENERALIDADES................................................................................................................................4

PSICROMETRÍA...............................................................................................................................4

LÍNEA DE SATURACIÓN...............................................................................................................4

HUMEDAD RELATIVA. ∅ :...........................................................................................................5

RELACIÓN DE HUMEDAD (W).....................................................................................................5

ENTALPÍA....................................................................................................................................5

VOLUMEN ESPECÍFICO...............................................................................................................6

TEMPERATURA DEL BULBO HÚMEDO........................................................................................6

CARGA TÉRMICA EN LOS ESPACIOS................................................................................................7

DETERMINACIÓN DE LOS PARÁMETROS........................................................................................9

ACONDICIONAMIENTO DE AIRE...................................................................................................11

CALOR SENSIBLE.......................................................................................................................12

CALOR LATENTE........................................................................................................................12

CÁLCULO DE LA CARGA TÉRMICA.....................................................................................................13

CÁLCULO DE LAS PARTIDAS DE CALOR SENSIBLE.........................................................................15

CÁLCULO DE LAS PARTIDAS DE CALOR LATENTE..........................................................................19

DISEÑO DE DUCTOS.........................................................................................................................20

CONCLUSIONES:...............................................................................................................................22

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INTRODUCCIÓN

La climatización consiste en crear unas condiciones de temperatura, humedad y limpieza del aire adecuadas para la comodidad dentro de los espacios habitados, como en dormitorios, salones, bancos y diferentes instalaciones que requieran de un confort.

Con el nombre de aire acondicionado se designan diversas técnicas y operaciones que conducen a la creación de un clima artificial en un lugar cerrado, que poder ser desde una pequeña habitación hasta un edificio completo,

En algunas ocasiones se asocia al aire acondicionado a experiencias personales de incomodidad o incluso a procesos infecciosos dentro de hospitales. Se trata de dos aspectos muy importantes y diferentes. El primero tiene que ver con el diseño de la instalación y el segundo con el mantenimiento. El profesional del aire acondicionado debe de conocer muy bien estos dos aspectos en el ámbito de la ingeniería

Un sistema de aire acondicionado muy bien diseñado y con un buen mantenimiento nos brindara condiciones de comodidad y salubridad.

Para ello, en el presente trabajo nos dará la idea de cómo calcular la carga térmica con la que trabaja el aire acondicionado, sus respectivas propiedades como la humedad relativa. Así mismo elegir el dispositivo de aire acondicionado adecuado.

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RESUMEN.

En este proyecto vamos a realizar el cálculo de la carga térmica de una oficina, para que tenga una temperatura de confort de 24°C y una humedad relativa del 60 %. El cálculo de la carga térmica se incluirá el calor generado por las paredes, techos, ventanas, personas, artefactos, etc.

Con ellos podremos tener una noción sobre la potencia de la unidad de aire acondicionado.

OBJETIVOS

Calcular la carga térmica de refrigeración de un restaurante ubicado en una esquina en la Urbanización El Recreo.

Diseñar los conductos del sistema de aire acondicionado.

GENERALIDADES.

PSICROMETRÍA

La psicrometría estudia las propiedades de las mezclas de aire y vapor de agua. La psicrometría es importante porque el aire atmosférico no está completamente seco, sino que es una mezcla de aire y vapor de agua.

Todos los procesos de acondicionamiento de aire deben tener en cuenta la presencia del vapor de agua en el aire.

LÍNEA DE SATURACIÓN.

Las coordenadas que se juzgan más convenientes son la presión del vapor de agua como ordenada y la temperatura de la mezcla aire- vapor de agua como abscisa.

A una presión del vapor de agua dad, lo cual ahora es su presión parcial, la condensación ocurre a la misma temperatura que si no estuviese presente el aire.

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HUMEDAD RELATIVA. (∅ ) :

La humedad relativa se define como sigue:

∅= presión parcial del vapor deagua .presión de saturacióndel aguaa lamismatemperatura .

Las líneas de humedad relativa constante deben trazarse en la carta dividiendo los segmentos verticales comprendidos entre la línea de saturación y el eje de las abscisas.

RELACIÓN DE HUMEDAD (W)

Es el peso del vapor de agua mezclado con cada kilogramo de aire seco.

Se puede recurrir a la ley de los gases perfectos para calcular W

W=Kgdel vapor deaguaKgde aire seco

W=

PV

RV

Pa

Ra

ENTALPÍA.

La entalpía de una mezcla de aire seco y vapor de agua es la suma de ambas entalpías. La entalpía del aire seco se basa en la temperatura de -17,8°C; es decir, es nula a esa

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temperatura. La entalpía del vapor de agua está referida a la temperatura de 0°C; es decir, es nula para el líquido saturado.

h [ KcalKgdeaire seco ]=CP x t+W .hg

Donde:

Cp=calor específicodel aire a presiónconstante=0.24 KcalKg .K

t=temperaturade lamezclaaire−vapor .

hg=Entalpíadel vapor saturadoa latemperaturade lamezcla .

Si bien el vapor de agua en las mezclas aire- vapor esta probablemente recalentado, no resulta un error apreciable debido a que la forma en que la entalpía depende de la temperatura.

A pesar del recalentamiento, la entalpía del vapor recalentado es igual a la entalpía de vapor saturado a la misma temperatura.

VOLUMEN ESPECÍFICO.

La ecuación de los gases perfectos se emplea para calcular el volumen específico de la mezcla aire- vapor. El volumen específico es el número de metros cúbicos de la mezcla por kilogramo de aire seco.

Puesto que los volúmenes ocupados por las sustancias individuales son iguales al ocupado por la mezcla.

Utilizando la ecuación de los gases perfectos

v [ m3

Kgdeaire seco ]= Ra x t

104 x Pa

TEMPERATURA DEL BULBO HÚMEDO.

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Es la temperatura indicada por un termómetro que tiene su bulbo humedecido e inmerso en una corriente de aire.

El agua, cuando está en contacto con aire no saturado, toma una temperatura diferente a la del aire.

CARGA TÉRMICA EN LOS ESPACIOS.

El concepto de carga térmica está asociado a sistemas de climatización (calefacción y refrigeración), así como a sistemas frigoríficos. Se trata de la cantidad de energía térmica por unidad de tiempo (potencia térmica) que un recinto cerrado intercambia con el exterior debido a las diferentes condiciones térmicas del interior y del exterior, considerando las exteriores como las más desfavorables posible. El cálculo de estas cargas permite disponer los sistemas adecuados de calefacción o refrigeración para compensarlas.

Las cargas térmicas pueden calcularse para dos situaciones:

1. Cargas de calefacción, que serían las que se producen en condiciones exteriores de invierno (y que físicamente traducen el calor perdido por el edificio hacia el exterior en la unidad de tiempo).

2. Las cargas de refrigeración que análogamente, se refiere a las producidas en las condiciones de la estación cálida (físicamente, calor ganado por los locales en la unidad de tiempo)

Las cargas térmicas se deben a varios fenómenos de intercambio de calor del edificio con el exterior, así como a ganancias de calor en interiores.

Transmisión por conducción a través de los elementos constructivos que separan

el interior del exterior o de otros locales no climatizados.

Dependen de la diferencia de temperatura (salto térmico) entre el interior y el

exterior, de las características constructivas de cada elemento (muros, huecos) en

lo que se refiere al aislamiento térmico (expresado por la transmitancia térmica, ) y

de la superficie de cada elemento. En el caso de los muros o de las ventanas con

vidrio coloreado, el calentamiento de su superficie por el sol, cuando están

expuestos, hace que el salto térmico sea mayor en verano, lo que hay que tener

en cuenta.

También deben considerarse los llamados puentes térmicos que son los lugares

donde los elementos constructivos tienen una discontinuidad en el aislamiento

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térmico. Se dan en los bordes de ventanas y puertas, en el encuentro de muros y

forjados, etc.

Tratamiento térmico del aire exterior necesario para la ventilación y renovación de

aire de los ambientes.

Dependen del salto térmico interior-exterior y del caudal de ventilación necesario.

En ciertos casos, cuando la construcción no es de buena calidad, hay que tener en

cuenta las infiltraciones de aire del exterior, no deseadas, por las rendijas y juntas

de cierre de los huecos que separan del exterior, ventanas o puertas.

Calor entrante debido al soleamiento por los cierres de los huecos acristalados

(ventanas).

Se produce por efecto invernadero: al atravesar el espectro visible de la radiación

solar un vidrio transparente, calienta los objetos que hay tras el vidrio; los objetos

emiten radiación en infrarrojos, y para ciertas longitudes de onda de los infrarrojos

el vidrio es opaco, de modo que el calor queda atrapado tras el vidrio, aumentando

la temperatura del ambiente. Este efecto es favorable en invierno (reduce la carga

térmica) y desfavorable en verano (la aumenta).

Calor interno producido por las personas, la iluminación eléctrica y los aparatos

que hay en el interior de los edificios (como en el caso anterior puede ser favorable

o desfavorable según la estación).

También es otra carga térmica el tratamiento de la humedad del aire para

conseguir en los ambientes una humedad relativa adecuada. El vapor puede

proceder de fuentes internas (evapotranspiración de las personas, de ciertos

aparatos...) y externas (contenido de humedad del aire exterior)

Al enfriar una masa de aire (refrigeración) con un contenido determinado de vapor

de agua, aumenta la humedad relativa, por lo que es necesario eliminar parte del

vapor para mantener la humedad relativa dentro de límites adecuados. Por el

contrario, al calentar (calefacción) una masa de aire disminuye la humedad

relativa. En este caso, a menudo la evapotranspiración de los ocupantes puede ser

suficiente para compensar esa disminución, pero si no lo fuera (temperaturas

exteriores muy bajas), habría que añadir vapor para conseguir una humedad

relativa adecuada.

Hay ciertos fenómenos que no se toman en cuenta en el cálculo de las condiciones de

invierno, pues mejoran las condiciones interiores en esa estación (soleamiento,

ocupación, pero que tienen importancia en las condiciones de verano pues aportan calor

a los locales desde su interior; en invierno, los sistemas de control del ambiente interior

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las tendrán en consideración. Así pues, las cargas de invierno solamente dependen de las

condiciones exteriores, y las de verano, tanto de las interiores y de las exteriores.

DETERMINACIÓN DE LOS PARÁMETROS.

Condiciones interiores

Las normativas de la mayoría de los países fijan unos valores límite para las condiciones del

interior de los recintos. Estos límites vienen determinados por un lado, por la comodidad de los

usuarios y por el otro extremo por el necesario ahorro de energía. Dependiendo las cargas de

la diferencia de temperaturas entre el exterior y el interior, cuando menor sea esa diferencia,

menores serán las cargas térmicas.

De invierno: la temperatura estará comprendida entre 18 y 22 °C, la Normativa española

fija como máximo una temperatura de 21 °C. La humedad relativa estará comprendida

entre el 45% y el 60%.

Esta temperatura puede ser menor cuando los usuarios realicen tareas que requieran un

esfuerzo físico mediano o considerable.

De verano: Las temperaturas adecuadas de verano estarán comprendidas entre 24 y

26 °C para los locales cuyos ocupantes estén ocupados en tareas que requieran poco

esfuerzo físico (trabajo de oficinas, comercio, vagones de ferrocarril de viajeros...). La

humedad relativa deberá estar comprendida, como en el caso de la calefacción, entre el

45% y el 60%.

Aunque a veces mucha gente piense que estas temperaturas son excesivas, y casi "no se

nota" el fresco al entrar desde la calle, al cabo de cierto tiempo de estar en el recinto se

nota mayor comodidad y, si fueran más bajas, se notaría frío. Es importante recordar que,

así como en invierno se llega desde el exterior con ropa de abrigo de la que se prescinde

al entrar en un recinto calefactado, en verano no se lleva una ropa de abrigo bajo el brazo

para prevenir temperaturas interiores demasiado bajas.

Condiciones exteriores

También en este caso las normativas suelen dar unas temperaturas de cálculo obtenidas

a partir de datos meteorológicos tomados a lo largo de una serie de años.

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Condiciones de invierno

La manera de darlas varía de unos países a otros. En algunos se dan zonas climáticas

mediante mapas fijando para cada una de ellas una temperatura de cálculo. En otros se

dan para cada localidad concreta, a veces con una tabla de ajuste de esas temperaturas

para localidades menores (generalmente sin observatorio meteorológico) en función de la

diferencia de altitud con respecto al nivel del mar, de la localidad con observatorio. En

general se dan solamente las temperaturas y no la humedad relativa.

El problema de esta definición aparentemente tan exacta, es que deja fuera muchas

localidades en las que se deberán obtener estas temperaturas por aproximación o

mediante tablas que las normativas no se atreven a fijar.

Condiciones de verano.

Para verano deben darse tanto la temperatura de cálculo como la humedad relativa de

cálculo. En general la temperatura se da de dos modos: una temperatura de cálculo,

hallada como media de temperaturas elevadas a lo largo de cierto periodo extenso, y una

temperatura máxima que se puede alcanzar con cierta frecuencia, pero en periodos

cortos, en la localidad o zona.

Respecto a la humedad relativa exterior, se dan los datos del mismo modo: una humedad

relativa media máxima y un valor de humedad relativa punta. Se deja a criterio del

proyectista prevenir una o la otra (la segunda da como resultado aparatos más potentes),

en función del uso de los locales y de la necesidad específica de comodidad que

requieran los usuarios.

También es importante conocer la posición del sol en los momentos más desfavorables

(que se suele dar a finales del mes de julio en el hemisferio norte, finales de febrero en el

sur) para poder calcular el soleamiento que recibirán los elementos acristalados, para lo

que debe conocerse la latitud y la inclinación de las ventanas. En ese sentido es

importante que no haya elementos acristalados inclinados (ventanas en el faldón de la

cubierta) en lugares de clima cálido. En cuanto a la hora en que esta solicitación se

producirá, dependerá de la orientación de esos elementos acristalados por lo que habrá

que estudiar cada fachada según su orientación, a una hora distinta.

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ACONDICIONAMIENTO DE AIRE.

Un sistema de acondicionamiento de aire, nos permite obtener una determinada temperatura y humedad relativa en el espacio acondicionado

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CALOR SENSIBLE.

Es la energía térmica que ingresa por conducción en la estructura, por radiación por las ventanas y del que proviene de las fuentes internas como son: la cantidad de personas,

CALOR LATENTE.

Es la energía térmica transferida por personas, aparatos que emiten humedad y también la humedad que pasan a través de las ventanas o de la estructura.

CÁLCULO DE LA CARGA TÉRMICA.

DATOS:

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ALTURADE LA PARED=5m ALTURADE LASVENTANAS=1.5m ALTURADE LAS PUERTAS=4m

VELOCIDAD DELA VENTILACI ÓN (V V )=25m3

h

ρCONCRETO=2500Kg

m3

HORA SOLAR :3 p .m

CONDICIONES DE PROYECTO:

tEXTERIOR=30° C

∅ EXTERIOR=80%

tEXCURSIÓN DIARIA=5 ° C

W exterior = 0.0218

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CONIDICONES DE CONFORT.

tCONFORT=24 °C

∅CONFORT=60%

CORRECIÓN DE LA TEMPERATURA EXTERIOR.

∆ t=t EXTERIOR−tCONFORT

∆ t=30 ° C−24 °C

∆ t=6 ° C

DIFERENCIA DE LA RELACIÓN DE HUMEDADES:

∆W=W EXTERIOR−W CONFORT

∆W=0.0218−0.0114

∆W=0.0104 kgaguaKgaire seco

∆W=10.4 grKgaire seco

CÁLCULO DE LAS PARTIDAS DE CALOR SENSIBLE.

CALOR SENSIBLE DEBIDO A LA RADIACIÓN A TRAVES DE LAS VENTANAS

Hay dos ventanas orientadas al este (1 x 1.5) = 1.5m2

Hay una ventana orientado al norte (1 x 1.5) = 1.5m2

W confort = 0.0114

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NORTE ,15h ,23de julio

ESTE ,15h ,23de julio

Coeficiente de atenuación, por tratarse de un vidrio triple:

f=0.83

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

Q̇SR=(2x 1.5 ) (41 x1.170.83 )+ (1.5 x 41 x1.17 x 0.83 )

Q̇SR=119.445+59.723

Q̇SR=179.68w

CALOR DEBIDO A LA RADIACIÓN Y TRANSMISIÓN A TRAVÉS DE LAS PAREDES Y TECHO EXTERIORES.

Hay una pared orientado al este:

50m2−1.5m2=48.5m2

Hay una pared orientado al Norte:

40m2−1.5m2−8m2=48.5m2

Buscando las diferencias de temperaturas equivalentes para cada pared (DTE):

NORTE , DE=500 ,15h solar

ESTE ,DE=500 ,15h solar

1.3°C

10.8 °C

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De la tabla 9, obtenemos la siguiente corrección: 1°C

Así pues, DTE:

NORTE :1.3 °C+1° C=2.3 °C

ESTE :10.8° C+1° C=11.8°C

El coeficiente de transmisión de amabas paredes:

K=1,6 w

m2 .K

Así pues:

Q̇STR=(48.5x 1.6 x11.8 )+(30.5x 2.3 x1.6 )

Q̇STR=915.68+112.24

Q̇STR=1027.92w

CALOR DEBIDO A LA TRANSMISIÓN A TRAVÉS DE PAREDES Y TECHO NO EXTERIORES.

AVENTANA=4.5m2

El coeficiente de transmisión es de:

K=5.8 w

m2 . K

Tenemos una pared interior de:

8 x5=40m2

Y otra de:

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10 x5=50m2

Los coeficientes de ambas paredes son iguales y valen: 2.1w

m2 . K

Por el vidrio hemos considerado un salto térmico de 6°C.

6 ° C−3° C=3 °C

Q̇ST=(4.5 x 5.8x 6 )+(50 x 2.1x 3 )+(40 x 2.1x 3 )

Q̇ST=156.6+315+252

Q̇ST=723.6w

CALOR SENSIBLE DEBIDO AL AIRE DE INFILTRACIONES.

AFORO=40 personas

V 1=3.2m3

h

V i=3.2 x 40=128m3

h

Entonces.

Q̇S=0.33 x128m3

hx6 ° C

Q̇S=253.44w

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CALOR SENSIBLE GENERADO POR LAS PERSONAS QUE OCUPAN EL LOCAL:

70w por persona de calor sensible.

Q̇S=70w x 40 personas

Q̇S=2800w

CALOR GENERADO POR LA ILUMINACIÓN DEL LOCAL.

Por fluorescente = 40 w

4 x 40w=160w

Por foco = 60 w

Q̇ ILUMINACIÓN=1.25x 220

Q̇ ILUMINACIÓN=275w

CALOR GENERADO POR EQUIPOS DIVERSOS:

Potencia del televisor=100w

Potencia por computadora=200w

CALOR SENSIBLE PROCEDENTE DEL AIRE DE VENTILACIÓN:

V̇ V=25 x40=1000m3

h

Q̇SV=0.33 x0.3 x 1000x 6

Q̇SV=594w

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CÁLCULO DE LAS PARTIDAS DE CALOR LATENTE.

CALOR LATENTE DEBIDO ALA AIRE DE INFILTRACIONES:

Q̇L1=0.84 x 128 x10.4

Q̇L1=1118.21w

CALOR GENERADO POR LAS PERSONAS QUE OCUPAN EL LOCAL:

Q̇L1=47 x40

Q̇L1=1880w

CALOR LATENTE PROCEDENTE DEL AIRE DE VENTILACIÓN.

Q̇LV=0.84 x0.3 x1000 x 10.4

Q̇LV=2620.8w

CALOR SENSIBLE EFECTIVA TOTAL:

Q̇SE=6153.13w

CALOR LATENTE EFECTIVA TOTAL:

Q̇SE=6180.91w

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DISEÑO DE DUCTOS.

CLASISFICACIÓN DE LOS PARÁMETROS FUNDAMENTALES:

FACTOR DE CALOR SENSIBLE EFECTIVO:

FCSE=Q̇ SE

Q̇SE+Q̇¿

FCSE= 6153.136153.13+6180.91

FCSE=0.5

Obtención del caudal de aire:

V̇=Q̇SE

0.33 (1−f )(t 2−t 4)

V̇= 6153.13w0.33 (1−0.3 )(24 ° C−16 °C )

V̇=3329.615m3

h

Aplicando la fórmula:

TEMPERATURA DE ENTRADA DE LA U.A.A:

t 3=V̇ V

V̇(t 1−t 2 )+t2

t 3=1000

3329.615(30−24 )+24

t 3=25.8 °C

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TEMPERATURA DE SALIDA DE LA U.A.A

t 5=f (t 3−t 4 )+ t4

t 5=0.3 (25.8−16 )+16

t 5=18.94 ° C

OBTENCIÓN DE LA POTENCIA FRIGORÍFICA DE LA U.A.A, N R :

h3 (t 3 ,∅ 3=80% )=69.5 KJKg

h3 (t 5 ,∅ 5=60% )=41 KJKg

N R=0.33 x 3329.615x (h3−h5)

N R=31.31kw

El criterio de la elección de las dimensiones de los conductos:

Tomando una sección cuadrada:

W=150mm

H=150mm

Cálculo del diámetro equivalente:

De=1.3∗(WH )0.625

(W+H )0.250

De=1.3∗(0.15x 0.15 )0.625

(0.15+0.15 )0.250

De=0.164m

Hallando el flujo de aire:

c=V̇

3600∗H∗V

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c=3329.615

m3

h3600∗0.2∗0.2

c=23.12 ms

CONCLUSIONES:

Hemos hallado:

La carga térmica de refrigeración:

Q̇=12334.04w

El caudal de aire V̇=3329.615m3

h La potencia de la U.A.A: N R=31.31kw