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UNIVERSIDAD POLITECNICA METROPOLITANA DE HIDALGO

INGENIERIA EN ENERGÍA

“CALCULO Y SELLECIÓN PARA UN EQUIPO DE REFRIGERACIÓN PARA UN LABORATORIO EN OAXACA”

MATERIA:

REFRIGERACIÓN

PRESENTAN:

ALAMILLA FLORES DAVID CASTILLO MONTEZ LUIS IGNACIO FELISIANO HERNANDEZ PAOLA GÓMEZ ZUÑIGA JOSE ARMANDO OROPEZA ALVARADO SERGIO

PROFESOR DE MATERIA: DR. RAUL ROMAN

TOLCAYUCA,HIDALGO.

7 DE AGOSTO DEL 2014

1-. INTRODUCCIÓN La aplicación de un sistema de aire acondicionado se ha hecho indispensable en todo edificio, porque el aire acondicionado no es un lujo como muchas veces se considerada, son en una necesidad, ya que está destinado no solo para el confort de los ocupantes sino para prservar la salud y más en este caso que es un laboratorio de manufactura y demasiados gases desprendidos del maquinado de piezas.

2-. OBJETIVO Calcular y seleccionar un sistema de acondicionamiento de aire para producir el tratamiento del aire dentro del laboratorio de manufactura en Oaxaca de tal manera que se controle simultáneamente la temperatura, humedad y limpieza de aire para satisfacer las necesidades de los usuarios del laboratorio. Manteniendo una temperatura de bulbo seco de 25°C y una humedad relativa de 50%. 3-. GENERALIDADES 3.1-. HISTORIA DEL AIRE ACONDICIONADO En la antigüedad, los egipcios ya utilizaban sistemas y métodos para reducir el calor, uno de los grandes sistemas para suprimir el calor sin duda fue el de los egipcios. Este se utilizaba principalmente en el palacio del faraón. Las paredes estaban construidas de enormes bloques de piedra, con peso superior de 1000 Toneladas y de un lado pulido y el otro áspero. Durante la noche, 3000 esclavos desmantelaban las paredes y acarreaban las piedras al Desierto del Sáhara. Como la temperatura en el desierto disminuye notablemente a niveles muy bajos durante el transcurso de la noche, las piedras se enfriaban y justamente antes de que amaneciera los esclavos acarreaban de regreso las piedras al sitio donde estaba el palacio y volvían a colocarlas al sitio donde estas se encontraban. Se supone que el faraón disfrutaba de temperaturas alrededor de los 26.7°C, mientras que afuera estas se encontraban hasta en los 54°C o más. Como se menciono se necesitaban 3000 esclavos para poder efectuar esta labor de acondicionamiento, lo que actualmente se efectúa fácilmente. En 1842, Lord Kelvin inventó el principio del aire acondicionado. Con el objetivo de conseguir un ambiente agradable y sano, el científico creó un circuito frigorífico hermético basado en la absorción del calor a través de un gas refrigerante. Para ello, se basó en 3 principios: -

El calor se transmite de la temperatura más alta a la más baja, como cuando enfriamos un café introduciendo una cuchara de metal a la taza y ésta absorbe el calor. El cambio de estado del líquido a gas absorbe calor. Por ejemplo, si humedecemos la mano en alcohol, sentimos frío en el momento en que éste se evapora, puesto que absorbe el calor de nuestra mano. La presión y la temperatura están directamente relacionadas. En un recipiente errado, como una olla, necesitamos proporcionar menor cantidad de calor para llegar a la misma temperatura que en uno abierto.

En 1902, el estadounidense Willis Haviland Carrier sentó las bases de la refrigeración moderna y, al encontrarse con los problemas de la excesiva humidificación del aire enfriado, las del aire acondicionado, desarrollando el concepto de climatización de verano.

Por esa época, un impresor de Brooklyn, Nueva York, tenía serias dificultades durante el proceso de impresión, debido a que los cambios de temperatura y humedad en su taller alteraban ligeramente las dimensiones del papel, impidiendo alinear correctamente las tintas. El frustrado impresor no lograba imprimir una imagen decente a color. Carrier, recién graduado de la universidad de cornell con una maestría en ingeniería, acababa de ser empleado por la Compañía “Buffalo Forge”, con un salario de 10 dólares semanales. El joven se puso a investigar con tenacidad cómo resolver el problema y diseñó una máquina que controlaba la temperatura y la humedad por medio de tubos enfriados, dando lugar a la primera unidad de aire acondicionado de la Historia.

En 1928, Willis Haviland Carrier desarrolló el primer equipo que enfriaba, calentaba, limpiaba y hacía circular el aire para casas y departamentos, pero la Gran Depresión en los Estados Unidos puso punto final al aire acondicionado en los hogares. Las ventas de aparatos para uso residencial no empezaron hasta después de la Segunda Guerra Mundial . A partir de entonces, el confort del aire acondicionado se extendió a todo el mundo. 3.2-. CONCEPTO DE AIRE ACONDICIONADO Muchos consideran el acondicionamiento del aire como una de nuestras industrias nuevas más importantes. Una industria que se desarrolla con una rapidez extraordinaria y que proporciona trabajo a miles de hombres con la instrucción adecuada y más comodidad y mejor salud a muchas personas en sus hogares y en sus lugares de trabajo. Las ASHRAE (American Society of Heating, Refrigerating and Air Conditioning Engineers) define al acondicionamiento de aire como: El proceso de tratar el aire, de tal manera, que se controle simultáneamente su temperatura, humedad, limpieza y distribución, para que cumpla con los requisitos del espacio acondicionado. 3.3-. IMPORTANCIA DEL AIRE ACONDICIONADO El uso del aire acondicionado tiene dos motivos: mantener la comodidad del ser humano y controlar un proceso industrial. Casos típicos de comodidad humana: en residencias, edificios de oficinas, hospitales, hoteles, bancos, aeropuertos, restaurantes, escuelas, cines, teatros, etcétera. Casos típicos de conservación y proceso industrial: hospitales (áreas especiales como quirófanos y laboratorios), centros, de computo, industrias textiles, industrias farmacéuticas, etcétera.

Además de la comodidad que disfrutamos con el aire acondicionado en un día cálido y húmedo de verano, actualmente muchos productos y servicios vitales en nuestra sociedad dependen del control del clima interno, como los alimentos, la ropa y la biotecnología para obtener químicos, plásticos y fertilizantes. El aire acondicionado juega un rol importante en la medicina moderna, desde sus aplicaciones en el cuidado de bebés y las salas de cirugía hasta sus usos en los laboratorios de investigación. Sin el control exacto de temperatura y humedad, los microprocesadores, circuitos integrados y la electrónica de alta tecnología no podrían ser producidos. Los centros computacionales dejarían de funcionar. 3.4-. CONCEPTOS DE AIRE ACONDICIONADO Para la aplicación del acondicionamiento de aire, el ingeniero aplica una técnica para satisfacer las necesidades de un espacio determinado, proporcionando con ellos condiciones de temperatura y humedad que produzcan una sensación de confort, así mismo para el proceso del cálculo y proyecto se emplean con mucha frecuencia, conceptos y términos que se analizaran a continuación. Composición del aire: La atmosfera que rodea la tierra es una mezcla de gases cuya composición es: Elemento Volumen % Peso % Nitrógeno 78.1 76 Oxigeno 20.9 23.1 Argón 1 0.9

Por lo general no hay que olvidar que contiene algunas impurezas. Aire saturado.-En la técnica del acondicionamiento de aire se da este nombre, a la mezcla de aire vapor de agua saturado, significando que dicha mezcla no puede contener mas vapor de agua sin que llegue a condensarse; en otras palabras es cuando tiene un aire a una temperatura dada de bulbo seco cuyo contenido de vapor de agua es el máximo que puede contener en suspensión. Aire seco.- Es el aire cuya composición no existe vapor de agua. Aire húmedo.-Se llama aire húmedo a una mezcla de aire con agua en cualquiera de sus formas. Es el estado del aire intermedio entre los anteriores, es decir, su contenido de humedad es intermedio, ni mínimo ni máximo. Aire estándar.-Cuando se hace referencia a las tablas y graficas psicométricas, así como ciertas características de los equipos de acondicionamiento de aire, se ha tomado como base el estado del aire estándar cuyas condiciones son: Carta psicométrica.-La carta psicométrica es la representación grafica de las tablas psicométricas y, con ella se pueden analizar gráficamente las propiedades psicométricas y se facilita la solución de diferentes problemas.

La carta muestra básicamente, la relación entre las cinco siguientes propiedades del aire: 1) Temperatura del bulbo húmedo 2) Temperatura de roció 3) Temperatura de bulbo seco 4) Humedad relativa 5) Humedad especifica Temperatura de bulbo húmedo.-La temperatura de bulbo húmedo del aire es la temperatura medida por un termómetro cuyo bulbo se encuentra encerrado en una mecha o saco de tela húmeda Temperatura de roció.-Es la temperatura a la cual la humedad del aire se condensa, manteniendo la presión constante del mismo. Temperatura e bulbo seco.-Es la temperatura medida por un termómetro ordinario de bulbo seco y es la medida del calor sensible del aire expresado en °C o °F. Humedad relativa.-Es un término utilizado para expresar la cantidad de humedad en una muestra de aire, en comparación con la cantidad de humedad que el aire tendría, estando totalmente saturado y a la misma temperatura de la muestra. La humedad relativa se expresa en porciento, tal como: 30%, 50%,70%, etc. Humedad especifica.-La humedad especifica o también llamada contenido de humedad, es el peso del vapor de agua en gramos de kilogramos libras. La humedad especifica se refiere a la cantidad de humedad en peso, que se requiere para saturar una libra de aire seco, a una temperatura de saturación (punto de roció) determinada. Entalpia.-Es la suma de trabajo de flujo mas la energía interna. Es la cantidad de calor contenida en el aire. La entalpia del aire es igual a la suma de la entalpia del aire seco, mas la entalpia del vapor de agua contenido en una mezcla, su punto de referencia es generalmente 0°C (32°F). Calor.- El calor se define como la forma de energía que se transfiere entre dos sistemas (o un sistema y sus alrededores) debido a una diferencia de temperaturas. Frio.-Es simplemente la usencia de calor o más bien una ausencia parcial del mismo, porque, aunque que extraigamos la mayor parte del calor que contiene un cuerpo o un espacio, no es posible quitarle por ninguno de los medios el calor natural. Calor latente.-El término de calor latente se refiere la cantidad de calor necesaria para cambiar el estado físico de una sustancia sin variar su temperatura, de solido a liquido o de liquido a vapor. La palabra latente significa “oculto”, no es percibido por los sentidos. Para hacer que una sustancia sufra un cambio físico, y pase del estado liquido al solido, o del estado liquido al de vapor, hay que añadirle una cantidad considerable de calor. Este calor latente es almacenado en la sustancia y lo devuelve de nuevo cuando la sustancia retorna a su estado inicial cuando se enfría.

Calor sensible.-Es el calor que podemos sentir o medir con un algún instrumento. Este es el calor que causa un cambio en la temperatura de una sustancia, pero no un cambio en el estado. Por ejemplo, si se calienta agua sobre una llama, podemos sentir la elevación de la temperatura sumergiendo un dedo en el agua. Cuando la temperatura de un líquido o de una sustancia. Calor total.-Es la suma del calor latente y calor sensible. 4-. CONDICIONES DE DISEÑO

4.1-. CONDICIONES EXTERIORES DEL LABORATOTIO DE MANUFACTURA

Las condiciones que se presentan a continuación de Oaxaca, son tomadas del sistema nacional de meteorología: Oaxaca, México. Latitud: 17°12’08” Longitud: 96°47’48” Altitud: 1655 msnm

4.2-. CONDICIONES INTERIORES DEL LABORATORIO DE MANUFACTURA Temperatura de bulbo seco: 25°C Humedad relativa: 50% Velocidad del aire: 0 m/s Estas condiciones se han deducido de la experiencia y han sido ratificadas por los ensayos de la ASHAE

4.3-. ANALISIS DEL MES Y HORA MÁS CALUROSA PARA CONDICIONES EXTERIORES El siguiente análisis fue tomado de los datos analizados por el sistema nacional de meteorología de México para Oaxaca.

A continuación se muestra la siguiente tabla del análisis de temperaturas máximas de los años 2011, 2012, 2013, 2014:

enero febrero marzo abril mayo junio julio agosto septiembre octubre noviembre diciembre

2011 28.4 30.4 32.4 34.6 35.2 31.4 30.5 30.7 29.8 29.1 29.3 28.5

2012 28.7 29.2 32.3 32.5 33.5 31 31.5 31.3 31.2 31.2 29 29.9

2013 29.1 31.9 32 34.3 33.4 33 32.5 32.5 30.7 31 30.1 28.2

2014 28.3 31.1 33.3 34 31.8 34.4 35.3

Como se observa en la tabla los meses más calurosos son Abril, Mayo, Junio y Julio, tal y como se demuestran en las condiciones anteriores de Oaxaca. Como no existe una regla fija para seleccionar la temperatura exterior de diseño que debe usarse para una localidad. Al respecto existe diversidad de opiniones, recomendando algunos que se use una temperatura que no haya sido excedida en más del 10% de los días de la temperatura de máxima verano. Es por eso que se decidió tomar la temperatura máxima de 35.3°C a una hora de las 15:00 horas ya que por comparación de diferentes tablas de temperaturas es la hora en que se presentan las máximas temperaturas. Los datos que se utilizaran son los máximos y se obtuvieron del año 2014, ya que es el año que hasta el momento presenta la máxima temperatura registrada en Oaxaca en los últimos 5 años. Los datos del 2011, 2012 y 2013 sirvieron solo como referencia para identificar los meses más calurosos y las temperaturas máximas.

Por lo que las condiciones exteriores son: Humedad promedio relativa: 90% Temperatura bulbo húmedo: 35 °C Temperatura bulbo seco: 38 °C Velocidad del viento: 18.4 m/s Radiación: 1190 W/m2

5-. CALCULO DE CARGAS TRMICAS ´5.1-. CARGAS TÉRMICAS EN PAREDES, TECHO Y PISO. Las dimensiones del laboratorio de manufactura se encuentran en el anexo 1

5.2-. CRAGAS TÉRMICAS POR RADIACIÓN 5.3-. CARGAS TÉRMICAS POR OCUPANTES 5.4-. CARGAS TÉRMICAS POR INFILTRACIONES 5.5-. CARGAS TÉRMICAS POR ILUMINACIÓN 5.6-. CARGAS TÉRMICAS POR MAQUINAS, DISPOSITIVOS. 5.7-. RESUMEN DE CARGAS TÉRMICAS NOTA: TODAS LAS ECUACIONES DE LAS CARGAS SE ENCUENTRA EN EL ANEXO 2

6-. SELECCIÓN DE EQUIPO DE AIRE ACONDICIONADO

6.1-. ANALISIS SICROMETRICO

A continuación se presenta un diagrama de aire acondicionado con retorno el cual será será del 80% el 20% lo desechara al ambiente para mantener las condiciones optimas del local.

Aire de suministro20% (1) Equipo centralizado de

(4)

aire (3)

Epo. Terminal LOCAL (2)

Aire de recirculación 80%

Aire expulsado Donde: 1-. Aire suministrado 2-. Condiciones del loca 3-. Condiciones de mezcla del equipo 4-. Condiciones del aire a la salida del equipo de aire

6.2- ECUACIONES PARA EL CALCULO DE EQUIPO DE REFRIGERACIÓN Las fórmulas que se presentan a continuación son las empleadas para el procedimiento de cálculo de la carga de enfriamiento: - El factor sensible de la carga de enfriamiento es obtenido del cociente del calor sensible entre el calor total: SHR = Qs / (Qs + Ql), donde SHR = factor sensible Qs = calor sensible, Btu/hr Ql = calor latente, Btu/hr - Para calcular la cantidad mínima de aire a suministrar al espacio, se da por medio de: Ws = Qs / [(0.244 x ( TR – Ts )], donde: Ws = cantidad mínima de aire a suministrar, lb aire seco / hr Tr = temperatura del espacio interior (área de central de equipos), ° F Ts = temperatura aire de suministro, ° F. Cp = calor específico del aire húmedo (0.22449), Btu /lb/° F. - El volumen de aire por minuto a suministrar al local, CFM s: CFM s = Ws * (1/60) * Vs Vs = volumen especifico a temperatura del aire de suministro, ° F - El volumen de aire por minuto a suministrar al equipo debido a las personas, CFMoa: -CFMoa = CFM/persona * numero de personas FFM- (Factor 15) Este valor se tomó de ASHRAE Handbook fundamentals 1997 - Para encontrar el total de aire a suministrar al equipo, Woa: Woa = [CFMoa * (60)] / Voa, Donde: Voa = volumen especifico a temperatura del aire exterior, ° F

Sabemos que el aire de suministro es la suma del aire reciclado y aire exterior, por lo tanto determinamos como aire reciclado y volumen del aire reciclado: Wr = Ws – Woa, por lo tanto CFMr = Wr * (1/60) * Vr, donde Vr = volumen especifico a temperatura del aire interior, ° F - La carga de enfriamiento de ventilación es: Wvent (hoa – hs) = Ws * (hoa – hs)

- La carga de enfriamiento reciclado es: Wrecirc (hr – hs) = (Ws – Woa) * (hr – hs), donde: hoa = entalpía a temperatura del aire exterior, Btu/lb aire seco hs = entalpía del aire de suministro, Btu/lb aire seco hr = entalpía del aire de diseño (interior), Btu/lb aire seco

6.3-. CONDICIONES DE DISEÑO Condiciones exteriores (Estado 1) Tse- 36°C= 95°F ф – 90% Condiciones interiores (Estado 2) Ts- 25°C= 77°F ф – 50% Condiciones de entrada a la entrada del acondicionador (Estado 3) Tm=

=

(

)(

) (

)(

)

= 80.6°F

De suministro (Estado 4) Ts = 57° F (temperatura de saturación de Ts = 77 ° F, carta psicrométrica) ф – 90%

Estado 1 2 3 4

Ts(°F) 98 77 80.6 57

Th(°F) 96 64 69 55

Ф(%) 90 50 61 90

h(Btu/lbas) 65 28.5 34 23

W(gr/lbas) 260 65 86 61

Ve(ft3/lb) 14.85 13.7 13.9 13.25

NOTA: LA CARTA PSICROMETRICA DEL SISTEMA ES EL ANEXO 3

Qs total

46250.95793 W

=

157814.744 Btu/h

Ql total

9579.153 W

=

32685.4111 Btu/h

Q total

55830.11093 W

190500.155 Btu/h

Factor de seguridad (%) Q total

61413.12202 W

RHS

0.828423178

10 =

17.4625367 W

=

6.4-. RESULTADOS DE CALCULOS PARA EQUIPO DE REFRIGERACIÓN -Factor sensible SHR= 0.8284 - Cálculo de la cantidad mínima de aire a suministrar al área. Ws = Qs (total) / [0.2244(Tr - Ts)] Ws= 157,814.744/(0.2244(77-57)= 35,163.71 lbas/h - CFMs del aire de suministro: CFMs = Ws * (1 / 60) * Vs CFMs = 35,163.71*(1/60)*13.25 CFMs = 7,765.31 ft3/min

209550.17 Btu/h

-Cálculo para determinar el volumen de aire suministrado al equipo debido a las personas: CFMoa = CFM / persona * número de personas CFMoa = 15 * 12 CFMoa= 180 ft/min - Cálculo para determinar el total de aire suministrado al equipo. Woa = [CFMoa * (60)] / Voa Woa = 180 * 60 / 14.85 Woa = 727.272 lbas/h Sabemos que el aire de suministro es la suma del aire reciclado y aire exterior, por lo tanto determinamos como aire reciclado y volumen del aire reciclado es: Wr = Ws – Woa Wr = 35,163.71 – 727.272 Wr = 34,436.43 lbas/h - CFMs del aire de reciclado: CFMR = Wr * (1/60) * Vr CFMR = 34,163.71*(1/60)*13.7 CFMR = 7,800.71 ft3/min - La carga de enfriamiento del aire de ventilación es: Wvent (hoa – hs) = Woa * (hoa – hs) Wvent(hoa-hs) = 727.272*(65-23) Wvent(hoa-has) = 30,545.42 Btu/h - La carga de enfriamiento del aire de reciclado es: Wrecirc (hr – hs) = (Ws – Woa) * (hr – hs) Wrecirc(hr-hs) = (35,163.71-727.272)*(28.5-23) Wrecirc(hr-hs) = 189,400.409 Btu/h

-La carga total que tendrá que vencer el equipo seleccionado para el acondicionamiento del área de central de equipos es: Wtotal = Wvent+Wrecirc Wtotal = 30,545.42+189,400.409 Wtotal = 219,945.829 Btu/h = 18.328 Toneladas de Refrigeración

6.5-. EQUIPO SELECCIONADO DE REFRIGERACIÓN Entre los aspectos a valorar al elegir un equipo están: la capacidad en toneladas de refrigeración, tipo del local, la relación entre el consumo de electricidad y la capacidad de la unidad en watts que puede representar importantes ahorros en el consumo energético; el ruido, la reducción de los niveles sonoros incrementan el confort ambiental; la comodidad y las prestaciones, la facilidad en el manejo de la unidad mediante el control remoto a distancia y las funciones que incorpore la unidad como son la programación horaria, la función de parada nocturna que optimiza el bienestar de acuerdo con las variaciones del metabolismo humano, la selección de la dirección de la persiana de aire para optimizar la distribución del aire en la habitación, y también la regulación de la temperatura deseada. Los principales tipos de equipos de aire acondicionado son: equipo tipo partido o split individual, equipo tipo partido o split de ductos, equipo tipo paquete, equipo tipo multi-split, equipos portátiles, equipos split tipo invertir, entre otros.

Equipo tipo paquete: Es un equipo de aire acondicionado tipo central, en el cual todos los componentes principales son acoplados en un solo gabinete. Nosotros utilizaremos un equipo tipo paquete de 20 toneladas de refrigeración. El modelo es el ZJ240N24A2AAA1.

7-. CONCLUSIONES El objeto del presente trabajo fue hacer el procedimiento adecuado para el cálculo y selección de un sistema de aire acondicionado (refrigeración), aplicándolo a el laboratorio de manufacturo de la UPMH en Oaxaca. Concluyendo que en alg8nos punto s nos quedamos cortos ya que se requiere aún más de experiencia y tiempo para poder enriquecernos de un mayor conocimiento, para la elección del equipo final. Pero aun así hemos aprendido demasiado, aprendimos a calcular un sistema de aire acondicionado y creemos que a bastado por el momento. 8-. BIBLIOGRAFIA -Cooling Loads Calculations ASHRAE Handbook Fundamentals 1997 -Manual de Climatización tomo II, Cargas térmicas, Jose Manuel Pinazo Ojer -Tesis profesional, Luis Ramirez Espinoza - Paginas de internet. http://rezine.net/PDD/ZJ%2015-25T%20R-410A%20SUNLINE%20MAGNUM%20Complete.pdf http://www.reacsa.com.mx/productos-aire-acondicionado-york-com-paq.asp