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• Carlos Abraham Paniahua Pérez

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BS,OF

(a) (b) (e) (d) (e)

80 75

BU,oF

W' ,gIIb a.s.

IIR,%

BTU/lb a.s,

f'I'/Ib a.s.

60 40 65

70

PR,oF

50 50

40 70

~'t" , \CÑ~'

ganancias son una pequeña parte del total, se puede omitir su efecto. No hay regla precisa para detenninar cuándo se deben tener en cuenta. Sin embargo, mientras mayor sea la presión del ventilador, mayor será la ganancia de calor. Por lo tanto, para sistemas pequeños con tramos cortos de dueto se puede ignorar con frecuencia este efecto. Lo mejor es calcular la ganancia en cada caso y a continuación decidir si es significativa. Las ganancias de calor que elevan la temperatura del aire en uno o más grados o F, usualmente se deben incluir en el análisis. En el capítulo 6 se han explicado los procedimientos para calcular este efecto. En la figura 7.35 se muestran los procesos psicrométricos cuando se incluyen las ganancias de calor en ventilador de aire, para una unidad manejadora de aire tipo succión, con el ventilador corriente abajo del serpentín. Nótese que la condición del aire de suministro, 1, está a mayor temperatura de BS que la condición del aire que sale del serpentín de enfriamiento, 7. Por lo tanto, la carga del serpentín de enfriamiento es mayor y el análisis psicrométrico lo debe incluir. Si la unidad manejadora de aire tiene una disposición de ventilación forzada, la ganancia de calor debida al ventilador redunda en la carga del serpentín, pero no aumenta la temperatura del aire de suministro. Si las ganancias de calor en el aire de suministro o de retorno son apreciables, también afectarán las ubicaciones de la línea de proceso en la carta psicrométrica. El proyecto de diseño de un sistema en el capítulo 17 nos dará la oportunidad de ver algunos de esos efectos.

~

o

r1TOYo

7.2. Se ~alienta aire a 40°F BS y 60% HR mediante una resistencia eléctrica, hasta 80°F. Encontrar el punto de rocío, la temperatura de BH y la HR del aire que sale del calentador. Trazar la línea de proceso en la carta psicrométrica.

~ 7:3. Un tubo de agua fría tiene una temperatura superficial de 52°F, y pasa por un recinto que está a 75°F BS. ¿A qué humedad relativa del recinto se condensará la humedad sobre el tubo? \ 7.4. Se enfría y deshumidifica aire que inicialmente está a 90°F BS y 70°F BH, llegando a 56°F BS y 54°F BH. Trazar la línea de proceso en la carta psicrométrica y calcular el calor sensible, latente y total que se elimina por libra de aire seco.

'7.5: Resolver el problema 7.4 empleando ecuaciones. 7.6. Un serpentín de enfriamiento lleva a 5000 CFM de aire desde 80°F BS y 70% HR a 58°F BS y 56.5°F BH. Calcular la carga de calor sensible, latente y total del serpentín y los litros de humedad eliminada por hora. '1.7. Una unidad de manejo de aire mezcla 1000 CFM de aire externo a 92°F BS y 75°F BH con 4000 CFM de aire de retorno a 78°F BS y 45% HR. Calcular las temperaturas de BS, BH, la entalpia y la relación de humedad de la mezcla de aire. 7.8. Un recinto tiene una ganancia de calor sensible de 83000 BTIJIb Y de calor latente de 31 000 BTIJIb. Calcular la relación de calor sensible del recinto (RSHR). \

PROBLEMAS 7.1. Con el uso de la carta psicrométrica, para las condiciones (a) a (e) de la tabla siguiente, hacer una lista de las propiedades que no se indican.

7.9. Un recinto que debe mantenerse a 75°F BS y 50% HR, tiene una ganancia de calor sensible de 11,2000 BTIJIb, Y una ganancia de calor latente de 21000 BTIJIb. Se tiene un suministro de aire de 5000 CFM. Calcular las temperaturas de bulbo seco y bulbo húmedo del aire de suministro.

CFM, aire de suministro = 59°P BS, y condiciones de diseño en el recinto 77°P BS y 50% HR. Diseñar el sistema de acondicionamiento, incluyendo:

7.10. Un recinto tiene una ganancia de calor sensible de 20 000 BlUlh Y de calor latente de 9 000 BlU/h. Las condiciones de diseño del recinto son 77°P BS y 50% HR. El aire de suministro se entrega a 58°P. Calcular el flujo necesario de aire en CPM. ¿Cuál es la temperatura de BH del aire de suministro? 7.11.

A. Un esquema de la disposición de los aparatos. B. Cálculo de los CPM de aire de suministro y su temperatura de BH.

Entra aire a un serpentín de enfriamiento a 800P BS y 66°P BH. Y sale a 60 P BS y 57°P BH. Calcular los factores de contacto y de derivación (PC y PD), Y la temperatura superficial efectiva. 0

C. Cálculo de las condiciones de la mezcla de aire.

,,-

D. Cálculo de la carga de calor sensible, latente y total del serpentín .

7.12. Por un serpentín pasa aire que entra a 82°P BS y ..J ~67°P BH. El factor de contacto es 0.91. La tempe•. ratura superficial efectiva del serpentín es 55°P. Calcular las temperaturas de BS y BH del aire que sale.

e

7.13. Una unidad de acondicionamiento de aire suministra 4000 CFM de aire a 55°P BS y 53°P BH, a un recinto que se mantiene a 75°P BS y 55% HR. Las condiciones del aire exterior son 95°P BS y 74°P BH. Se suministran 1000 CFM de aire de ventilación. Calcular lo siguiente: ganancia de calor sensible del recinto, ganancia de calor latente del recinto, carga de enfriamiento, carga de aire externo y factor de contacto necesario para el serpentín. Hacer un bosquejo de la disposición de los aparatos y mostrar las condiciones del aire en todos los lugares. 7.14.

Un recinto tiene las siguientes condiciones de diseño: 78°P BS y 50% HR, Y RSHG = 18000 BlUf h, Y RLHG = 8 000 BTUlh. Una unidad de acondicionamiento de aire suministra 900 CFM de aire al recinto, a 58°P BS y 56° BH. ¿Mantendrá la unidad las temperaturas de BS y BH del recinto? ¿Cuáles son las condiciones aproximadas que se mantienen en el recinto?

7.15. Un recinto con una ganancia de calor sensible de 172 000 BlU/h Y de calor latente = 88 000 BlU/h se debe mantener a 76°P BS y 50% de HR. Se suministra el aire acondicionado a 56°P ns y 54°P BH. Calcular la energía desperdiciada que se consume si se usa un serpentín de recalentamiento para mantener las condiciones de diseño.

E. Cálculo de la carga de calor sensible, latente y total del aire exterior. P. Cálculo del PC y FD necesarios para el serpentín. G. Hacer un esquema de todos los procesos psicrométricos, identificando todos los puntos. 7.17.

Un día en el que la presión barométrica es 14.68 psi, la presión parcial del vapor de agua en el aire es 0.17 psia. Mediante ecuaciones, calcular la relación de humedad.

7.18. Mediante ecuaciones, calcular la humedad relativa, relación de humedad y volumen específico del aire a 700P BS y 600P punto de rocío cuando la presión barométrica es de 14.7 psi. Comparar los resultados con los que se encontraron con la carta psicrométrica. 7.19.

Mediante ecuaciones, calcular la entalpia específica del aire en el problema 7.18. Comparar el resultado con el que se obtiene usando la carta psicrométrica.

7.20. A una unidad de acondicionamiento, entran 20000 CFM de aire a 80 P BS y 60% HR. El aire que sale de la unidad está a 57°P BS y 90% HR. Calcular: 0

A. El enfriamiento. en BlUlh y en toneladas, que se lleva a cabo en la unidad. B. La tasa, en lblh, a la que se elimina agua del aire.

7.16.

Se han encontrado los siguientes resultados en un cálculo de carga de enfriamiento para una construcción en Chicago, llJinois, SHG = 812000 BlUlh, LHG = 235 000 BlUlh, aire de ventilación = 6000

C. La carga, en BlUlh y en toneladas, de calor sensible en la unidad.

D. La carga, en BTIJ/h y en toneladas, de calor latente en la unidad. E. El punto de rocío del aire que sale de la unidad de acondicionamiento. P. La temperatura superficial efectiva (punto de rocío del aparato). 7.21. En un día cálido de septiembre, un recinto tiene una carga de enfriamiento sensible de 20 300 BTIJIh debida a los ocupantes, las luces, las paredes, ventanas, etcétera. La carga de enfriamiento latente para este recinto es 9000 BTIJIh. Las condiciones de diseño para el recinto son 76°F BS y 50% HR. El aire de suministro entrará a dicho recinto a 58°P BS. A. Hacer un esquema de la disposición del equipo y ductos, indicando la información disponible.

de carga enfriamiento latente de recinto de 50000 BTIJ/h. Se mantiene a 76°F BS y 64°P BH. 1200 CFM de aire escapan a través de fisuras y campanas en el recinto, o bien a través de una salida de escape de aire. Esto significa que el flujo de aire exterior es 1200 CFM. El aire exterior, que está a las condiciones de diseño de 95°P BS y 76°P BH, se mezcla con aire de retorno antes de entrar a la unidad de acondicionamiento. A. Hacer un esquema de la disposición de equipo y ductos, indicando la información conocida. B. Calcular la relación de calor sensible para el recinto (RSHR). C. Calcular el flujo necesario de aire de suministro, en CPM, si su temperatura es de 60 P BS. 0

D. Calcular la carga de enfriamiento del aire exterior en BTIJ/h y en toneladas.

B. Calcular el flujo de aire necesario para el recinto, en CPM.

E. Calcular la carga total de enfriamiento, en BTIJ y en toneladas.

C. Para el aire de suministro anterior, encontrar la temperatura de bulbo húmedo, entalpía, humedad relativa y contenido de humedad, en gllb y en lbllb.

P. ¿Cuál es la temperatura superficial efectiva (punto de rocío del aparato)?

D. Se sabe que en este recinto se necesitan 260 CPM de aire exterior para ventilación. El aire exterior está a 94°F BS y 76°F BH. Antes de entrar a la unidad de acondicionamiento de aire, se mezcla con aire de retorno del recinto. Determinar, para la mezcla de aire que entra a la unidad, las temperaturas de bulbo seco y bulbo húmedo, la entalpía y el contenido de humedad, en gllb y en lbllb. E. Calcular el tamaño necesario del equipo de refrigeración para acondicionar este recinto, en BTIJIh y toneladas. Incluir la carga de enfriamiento debida a la ventilación. P. Calcular los ahorros en la capacidad del equipo si las necesidades de aire exterior de ventilación se reducen a 130 CFM. Dar la respuesta en BTIJ/ h Y en porciento. 7.22. Un recinto con aire acondicionado tiene una carga de enfriamiento sensible de 200 000 BTIJ/h Y una

G. ¿Cuáles son los factores FC y FD del serpentín? 7.23. Un congelador de refrigeración suministra agua helada a una unidad de acondicionamiento de aire. La unidad admite 3000 CFM de aire exterior a 95°P BS y 76°F BH. Este aire del exterior se mezcla con 20 000 CPM de aire de retorno que está a 78°P BS y 50% HR. El aire acondicionado sale del serpentín de enfriamiento de la unidad a 52°P BS y 90% HR. A. ¿Cuál es la carga del congelador debida al serpentín en la unidad de acondicionamiento de aire? Expresar la respuesta en BTIJ/h y en toneladas. B. Supóngase que el aire acondicionado se recalienta a 58.5°P BS con calentadores eléctricos. ¿Cuál es el costo de operación, por hora, de los calentadores, si la energía eléctrica cuesta 120 pesos por KW-h? 7.24. El aire de suministro para el problema 6.12 está a 58°P de BS. Calcular: A. El flujo necesario de aire, en CPM.

B. Sea la hora pico de ganancia de calor por el techo. 6.2.

Una pared que da hacia el sureste, de una construcción en Las Vegas, Nevada, tiene 90 ft x 24 ft. Esta pared está construida' con bloque de concreto de 8 in, aislarrúento R-5 y tablero de enyesado de 1/2 in. La condición de diseño interior es 79°F. Calcular la ganancia neta de calor a través de la pared cuando

6.9.

Una cafetería tiene una parrilla de vapor de 20 fe, sin campana. ¿Cuáles son las ganancias de calor sensible y latente?

6.10.

Un recinto tiene las siguientes dimensiones exteriores de pared y ventana:

r-

PARED: 20 ft x 8 ft. U = 0.27 BTUIh °F. VENTANA: 8 ft de ancho x 4 ft de altura, U = 0.69.

Calcular el factor de corrección que se debe aplicar para la transferencia de calor a los alrededores.

A. Sea 15 de junio a las 11 AM. B. Sea la ocasión de ganancia máxima por la pared. 6.11. 6.3.

Una construcción en Baltimore, Maryland tiene 2300 ft2 de pared exterior de vidrio sin sombreado interior. La temperatura interior de diseño es 80°F. Calcular la ganancia neta de calor por conducción a través del vidrio a las 2 PM en verano.

6.4.

Una construcción en Dalias, Texas, tiene 490 ft2 de ventanas que dan hacia el oeste. con vidrio transparente sencillo de J/4 de in. La edificación es de construcción ligera. Calcular la ganancia neta solar máxima por las ventanas. ¿En qué fecha y hora se presenta?

6.5.

Un recinto de una construcción en la ciudad de Nueva York tiene una ventana de 12 ft de ancho por 6 de alto que da hacia el sur. El edificio es de construcción mediana. La ventana tiene vidrios de 1/4 de in sencillos y transparentes, con persianas oscuras. Hay una proyección externa de 3 ft en la parte superior de la ventana. Calcular la ganancia de calor solar a través de la ventana a las 12 del día ello. de julio.

6.6.

Un recinto tiene cuatro unidades fluorescentes de 40W y dos unidades incandescentes de 200W. El sistema de enfriamiento se apaga durante las horas en las que no hay ocupación. ¿Cuál es la ganancia de calor debida al alumbrado?

6.7.

Calcular las ganancias de calor sensible y latente debidas a 180 personas en una discoteca. La temperatura de diseño es de 78°F.

6.8.

Una fábrica, con acondicionamiento de aire las 24 horas del día, trabaja de 8 AM a 5 PM. Tiene 76 empleados, hombres y mujeres. que se dedican a trabajus ligeros de banco. ¿Cuál es la ganancia neta de calor a la 1 PM? La temperatura de diseño es de 78°F.

Calcular la ganancia máxima de .calor para la oficina general que se muestra en la figura 6.11, con las condiciones siguientes:

UBICACIÓN: Sacramento. Cal. Condiciones interiores 80°F BS. 50% HR. PARED: U =0.28 BTUIh-ft'°F. grupo E. VENTANA: 20 ft de ancho x 6 ft de alto. vidrio transparente encillo, persianas interiores oscuras. OCUPACIÓN: 10 personas. Iluminacián 4 Wlft; con ba/astras. ALTURA DE PISO A PISO: 10 ft.

-¡o

r

Oficina

L

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Oficina

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30'

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t Oficina !-cé----20'---~

Nota: construcción

ligera

Figura 6.11. Plano para el problema

6.11.

PROBLEMAS 6.12.

175 Construcción liviana. Temperatura interior del recinto = 78°F. Calcular la ganancia máxima de calor externo.

La construcción que aparece en la figura 6.12, ubicada en Ottawa, Canadá, tiene las siguientes condiciones: PUERTAS: 1 1/2 in.

7 ft de alto x 3 ft de ancho,

madera

de

PAREDES: U = 0.18 BTUIh-ft' _oF, grupo C. Sil/ ventanas. Color claro. TECHO: Concreto pesado de 4 il/, aislamiento R-5.5, cielo raso terminado.

6.15.

Una sala de conciertos en Londres, Inglaterra, tiene 2300 asientos. Las condiciones de diseño interiores son 75°F Y 50% HR. Calcular las cargas de ventilación en verano.

6.16.

Llevar a cabo un cálculo completo de la carga de enfriamiento para una construcción de un piso para oficinas, que aparece en la figura 6.13. Las condiciones son las siguientes:

CONDICIONES INTERIORES DE DISEÑO: 80°F, 55% HR. OCUPACIÓN: 80 ft' por persona. Alumbrado 2.5 Wlft'. Calcular la ganancia pico de calor y la ganancia de calor a las 11 AM del 30 de junio.

6.13.

Repetir el problema 6.12, pero con la construcción girada a 45° en el sentido de las manecillas del reloj, y después a 90° en el mismo sentido, ubicándolo en la ciudad de México.

6.14.

Un recinto de una construcción en Memphis, Tennesse, tiene una pared expuesta, que da hacia el oriente, con las siguientes condiciones:

UBICACIÓN: Ciudad de México. PAREDES: U = 0.20 BTUIh - ft' - °F, grupo C. VENTANAS: vidrio sencillo absorbedor de color, persianas claras interiores. TECHO: de madera de 2.5 in. con aislamiento R-2.8. Con la orientación. que asigne el instructor. Construcción ligera. Personal: 1 por 60 ft2• Hacer las suposiciones basadas en las recomendaciones de este texto y en otros datos (para ventilación, ganancias de calor en ductos y ventiladores, etc.).

6.17.

Llevar a cabo un cálculo completo de carga de enfriamiento para la residencia que se describe en el problema 3.20, ubicada en la ciudad de México, o bien en la localidad del lector.

PARED: A = 68 ft', U = 0.21 BTU/h - ft' - °F, grupo E. VENTANA: A = 130 ft', vidrio sencillo absorbente de calor, sin sombreado.

I

80'

-,-

1~

Bodega

/N

50'

Altura del cielo raso: 13'-0"

Figura 6.12. Plano para el problema

I

w

b) 20.36 Btu/Ib e) 44 granos/lb d) 66 %

2. Representar en la carta psicrométrica el proceso de mezcla de dos flujos de aire cuyas características se dan en el problema anterior. 3. En un proceso dé enfriamiento y deshumidificación el aire inicial que está a 80°F y cj> = 60 % pasa a través de un serpentín de enfriamiento con una temperatura efectiva en la superficie de 50°F; el aire sale a 53°F, se desea saber: a) Peso de la humedad

condensada

b) Calor total removido R

a) LlW' = 36 granos/Iba b) Llh = 12.2 Btu/lb

T bs

Figura IV-U.

Carta psicrométrica.

Humidificación.

Según la figura: a-b :

caso en el que la temperatura del agua es menor que la del aire. a-e: caso en el que el agua está a la misma temperatura que el aire. a-d : caso en el que el agua está a mayor temperatura que el aire. Cuando el agua es relativamente indican los puntos ad.

poca, la línea ad cae según

EJERCICIOS 1. 6,000 lb/h de aire a te« = 40°F Y cj> = 60 % se mezclan con 4,000 lb/h de aire a tbs 80°F, cj> 50 %; encontrar las siguientes caracteristicas de la mezcla:

=

a) Temperatura

") Entalpia c) Humedad ti) '~

Humcdud a) ~6"Jo

.

específica relativa

=

En un proceso adiabático de saturación el aire entra a ts, = 60°F y rp = 40 %. Encontrar: 1.) Temperatura de rocío inicial b ) Temperatura de rocío final :) Temperatura del aire en °F ti) Incremento de la humedad específica U

a) tw b) i; e) M d) LlW'

= 36°F

= 48°F = 12°P = 18.6 granos/lb

Representar en la carta psicrométrica • refiere el problema anterior.

el proceso del aire al que