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TECNOLOGICO NACIONAL DE MEXICO INSTITUTO TECNOLOGICO DE TIJUANA

TAREA UNIDAD 3 REFRIGERACION Y AIRE ACONDICIONADO “CARACTERISTICAS DEL AIRE DE VENTILACION” PRESENTA: NAVA MENDIVIL ANGEL IVAN #15211401 ASESOR: ING. JESUS ARNOLDO ESPINOZA INZUNZA Tijuana Baja California

12 de Mayo del 2020 P á g i n a 1 | 17

Unidad 3 Características del aire de ventilación Índice Tabla de contenido Índice......................................................................................................................2 Introducción............................................................................................................3 3.1 Cantidad de aire necesario para ventilación....................................................4 3.2 Ciclo completo del aire acondicionado...........................................................10 3.3 Calculo de humedad agregada o retirada al aire de ventilación....................11 3.4 Calculo de calor latente..................................................................................12 3.5 Calculo del calor sensible...............................................................................14 3.6 Factor de calor sensible.................................................................................15 3.7 Aire de retorno................................................................................................17

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Introducción La instalación de un sistema de aire acondicionado (AA) no es cosa simple. No basta sólo lanzar aire caliente o frío a diestra y siniestra. Por su complejidad, este tipo de proyectos son un arte de la ingeniería y requieren cálculos rigurosos de cargas de enfriamiento que se realizan tomando en cuenta ciertas características físicas de las edificaciones. Se trata, dicen los expertos, de hacer juego entre carga y potencia, y de utilizar el mayor número posible de dispositivos para dar mayor variabilidad al complejo. Una mejor distribución de aire se logra con cálculos exactos de la carga de aire de enfriamiento –también llamada carga térmica– en espacios y edificios, ya sea tipo residencial, industrial, institucional, gubernamental o comercial. Es necesario tomar en cuenta los siguientes factores:           

Datos atmosféricos del sitio Características de las edificaciones (dimensiones físicas) Orientación del edificio (dirección de las paredes del espacio a acondicionar) Momento del día en que la carga llega a su pico Espesor y características de los aislamientos Cantidad de sombra en los vidrios Concentración de personal en el local Fuentes de calor internas Cantidad de ventilación requerida Características de los materiales de construcción (tamaño de los componentes, colores externos de fuentes y formas) Fecha en que se realizan los cálculos de la carga de enfriamiento (contar con información de varias horas del día y de varios meses es lo ideal)

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3.1 Cantidad de aire necesario para ventilación La calidad térmica del ambiente, así como la calidad del aire interior son exigencias que debe cumplir todo negocio, locación, bienes raíces donde vaya a existir presencia de personas. La primera exigencia se refiere al bienestar térmico en los espacios interiores, y depende del tipo de actividad y grado de vestimenta, la temperatura operativa y la humedad relativa. La calidad del aire por su lado, está directamente relacionado con las exigencias del reglamento respecto del sistema de ventilación del aire de los edificios, unas veces ligado al sistema de climatización, y otras totalmente independiente del mismo. En este post desarrollamos un ejemplo práctico de cálculo de ventilación para un local comercial, parámetro necesario por otro lado, en el procedimiento de certificación energética de edificios o partes de edificios (nuevos o reformas/ampliaciones de existentes). Esperamos vuestros comentarios.

Para todos los tipos de ventilación, el primer paso consiste en determinar los caudales necesarios de aire. Acto seguido se dimensionarán los elementos necesarios para que se cumplan los requisitos.

Determinación de la demanda de aire El metabolismo vital de las personas exige un determinado consumo de oxígeno en función de variados factores tales como el tamaño, sexo, tipo de actividad, duración de la misma, etc., lo que obliga a una renovación mínima del aire de los ambientes habitados. Por otra parte, la renovación excesiva puede repercutir desfavorablemente en la economía de la climatización. Normalmente la tasa de ventilación se tomará como requisito personal de cada uno de los ocupantes de un P á g i n a 4 | 17

local. En algunos casos, se hará tomando una tasa por unidad de superficie, cuando sea difícil determinar el número de ocupantes o el requisito de ventilación lo determinen aparatos mecánicos. A) Ventilación para edificios de vivienda

La ventilación mínima atenderá a criterios de supervivencia, de salubridad, de economía y, fundamentalmente, de comodidad (confort). Las tasas de ventilación mínima para locales de vivienda│, se establecen en la siguiente tabla. Ha de tenerse en cuenta que hay un caudal de admisión que es la suma de los correspondientes a los locales vivideros (estares, dormitorios) y otro de extracción, suma de los correspondientes a cocinas y aseos (excluyendo la ventilación adicional). El caudal total que ha de ventilar la vivienda será el mayor de ellos.

B) Ventilación para otros edificios Para edificios de uso distinto de la vivienda, la norma determina los caudales mínimos de ventilación, a partir de la calidad del aire interior requerida para cada uso. En la tabla de abajo, se expresan los caudales correspondientes a casos normales, con ocupantes con actividad ligera con solo contaminación de origen humano, a casos de locales en los que esté permitido fumar en las mismas condiciones que el anterior, y a casos de locales no ocupados permanentemente por personas (almacenes y similares), según las distintas calidades del aire que pide el reglamento, sin tener en cuenta la calidad del aire exterior.

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C) Ventilación según otros criterios Además del caso general referido, la norma habla de otros criterios, como el de la calidad del aire percibido, que tiene en cuenta los olores que pueda haber en el aire, el de la concentración de CO2, o el de la dilución de contaminantes en el aire, específico para zonas industriales y laboratorios con emisión de contaminantes. De estos se describe brevemente el segundo, concentración de CO2. Método de la concentración admisible de CO2: Este método de cálculo del caudal mínimo es adecuado para locales donde las personas desarrollan una gran actividad metabólica, fuente de dióxido de carbono, como discotecas, gimnasios, etc. En la siguiente tabla se muestra el nivel de IDA según la cantidad de concentración de CO2

El caudal se obtendría por la fórmula:

En la que:

qv: Caudal de ventilación (L/per) AM: Actividad metabólica individual (met) CCOA: Concentración de CO2 máxima admisible en el ambiente interior CCOE: Concentración de CO2 en el ambiente exterior (estimada en 0,03%) rv: Eficacia de la ventilación

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D) Ventilación de locales técnicos Un caso muy distinto es el de la ventilación de locales en los que es rara la presencia de personas, pero requieren una ventilación específica para los procesos que en ellos se hacen (combustiones, por ejemplo). En estos casos, el caudal de aire para cada caso, así como el modo de suministro, se detalla a continuación. Huecos de ventilación para cuartos de instalaciones:

Cálculo de la ventilación natural En la ventilación natural hay que distinguir dos fenómenos semejantes, pero con resultados contradictorios desde el punto de vista del “confort”: La ventilación necesaria y la indeseable. De acuerdo con ello el cálculo se hará en cada caso de modo distinto: Se calculará como deseable la ventilación por huecos abiertos y la de origen térmico, es decir, determinado el caudal necesario, se dimensiona el tamaño del hueco; el proceso se invierte cuando se trata de infiltraciones, ya sea por ranuras o ya por carpinterías, pues habitualmente se trata de reducirlas al mínimo y tener en cuenta sus efectos para el cálculo de las calefacciones; en este caso, conocidas las dimensiones de los huecos o ranuras, ha de calcularse el caudal que entraría por ellas en las peores condiciones.

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Ventilación natural de origen eólico Se trata en este caso de dimensionar los elementos de ventilación en función de las diferencias de presión producidas por el viento. Paso del aire a través de huecos La superficie necesaria de abertura se deduce a partir de la diferencia de presiones existente y gastada en parte al convertirse en otros tipos de energía (calor, sonido, etc.). Recordando el principio de continuidad y la ecuación de Darcy-Weisbach.

En las que: S= Superficie necesaria del hueco (m 2 ) v= Velocidad del viento (m/s), Q= Caudal de aire entrante (m3 /s) f= Coeficiente de pérdida de carga (-) ρ= Densidad del aire (1,20 kg/m3 a 20ºC) ∆p= Pérdida de presión entre la cara exterior y la interior (kgf / m 2 ), igual a v 2 /16 (v en m/s)

Paso del aire a través de ranuras P á g i n a 8 | 17

En este caso se trata de evaluar el caudal que entra por las ranuras existentes, que se puede evaluar por: En donde: Q= Caudal de aire entrante (m3/s) L= Longitud de la ranura o rendija (m) a= Coeficiente función de la calidad del cierre variable entre 10-3 para impermeabilidad excelente y 40 x 10-3 para deficiente (-) ∆p= Pérdida de presión entre la cara exterior y la interior (Pa), igual a v 2 /1,6 (v en m/s) N= Coeficiente función del régimen de circulación que toma el valor 1 para régimen laminar y 2 para turbulento (-).

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3.2 Ciclo completo del aire acondicionado Básicamente, el funcionamiento del deshumificador consiste en captar el aire, en forma de corriente, por el evaporador, una zona fría que está por debajo del punto de rocío. A esa temperatura la humedad ambiental se condensa, acumulándose gota a gota en un depósito. El aire pasa a una zona caliente en la que recupera la temperatura ambiental y es expulsado al exterior, consiguiéndose la reducción de la humedad. El mecanismo es sencillo. Poco a poco, el aire de la estancia va pasando por el deshumificador. Sale con menor humedad y se mezcla con el aire restante. Eso reduce la humedad relativa del volumen total del aire de la estancia y cada vez que se repite el ciclo de deshumidificado, la habitación va ganando en calidad y confort. Los equipos domésticos de deshumidificación suelen ser de pequeño tamaño. Entre sus características, podemos decir que constan de un módulo que contiene el canal de aspiración impulsado por un ventilador. La corriente de aire pasa por la estructura del evaporador, donde se condensa el agua, y la del condensador, donde se calienta. Todo el proceso es impulsado por un mecanismo de gran importancia, el compresor o intercambiador, que se encarga de mantener en movimiento el refrigerante encargado de los cambios de temperatura. El agua condensada se vierte en un depósito inferior que debe ser vaciado periódicamente y aunque puede ser utilizada para regar, bajo ningún concepto debe aprovecharse para lavar, cocinar o beber. Los deshumidificadores domésticos pueden ser portátiles, algo perfecto para moverlos de una habitación a otra según se necesite, aunque también es posible encontrarlos fijos.

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3.3 Calculo de humedad agregada o retirada al aire de ventilación A la hora de analizar la necesidad de hacerse con un deshumificador, lo primero que debes considerar es la llamada humedad relativa del aire. Esta indica la relación entre la cantidad de agua que hay en el aire y la cantidad máxima que haría que el aire se saturase y esa agua, en forma de vapor, se condensase. Así, si tenemos un 75 % de humedad, significa que el aire tiene tres cuartas partes de humedad y que con una cuarta parte más se saturaría. La humedad relativa del aire que se entiende como saludable está entre el 40 y el 55-60 %. Valores por encima de 60 % deberían controlarse, sobre todo si alguno de los habitantes tiene problemas respiratorios, asma o afecciones dérmicas. Una humedad elevada puede provocar problemas en la salud de las personas y las mascotas y en la propia vivienda. Debes considerar muy seriamente comprar un deshumificador si:    -Existe un fuerte olor a humedad. La humedad se está filtrando y quedando estancada en alguna parte. Debes localizarla para poder eliminar el exceso. También es posible que ese olor a humedad aparezca en la ropa.    -Se forma moho. Aparece en paredes, suelos o techos. Son organismos realmente dañinos. Podemos respirar sus esporas, lo cual es muy peligroso para la salud, especialmente para las personas que sufren de asma o enfermedades respiratorias. El moho es visible cuando se forma, pero la humedad también provoca la proliferación de otros organismos imperceptibles pero indeseables, como los ácaros.    -Hay condensación de agua. Si se forman gotas de agua en las superficies frías del interior de la casa (cristales de las ventanas, azulejos, metales…) es que el nivel de humedad es tan alto que se condensa de forma natural. Es posible, incluso, llegar a tener goteras. La humedad estropea la pintura de las paredes, pero también la estructura interna de las mismas. Vigas de madera, metales… la oxidación y degradación de los materiales puede causar grandes problemas en el inmueble. Cálculo del vapor requerido (PARA HUMIDIFICACION DIRECTA) La máxima capacidad de vapor se determina por: V ∗( x 2−x 1 )Cv= Demanda máxima  de vapor en kg/h. 1000Ve V= Máximo volumen del local en m3 Ve=Volumen especifico del aire en local en m3/kg. X2=Humedad absoluta del aire en el local (deseada) g/kg. X1=Humedad absoluta mínima del aire renovado en g/kg

C v=

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3.4 Calculo de calor latente ¿Qué es el calor latente? El calor latente es aquel calor que, agregado o eliminado de una sustancia, provoca un cambio de estado en el mismo, de sólido a líquido, de líquido a gaseoso, de sólido a gaseoso, etc. este calor al contrario que el calor sensible, no provoca un cambio de temperatura, un ejemplo: Partiendo del siguiente ejemplo: Un vaso de agua líquida a 0ºC y queriendo cambiar de estado esta agua a estado sólido (hielo), deberemos extraerle una cierta cantidad de calor para cambiar su estado, este calor necesario para este cambio de estado será calor latente, como resultado tendremos el mismo vaso de agua en estado SÓLIDO y a la misma temperatura 0ºC puesto que, del cambio de temperatura siempre se encarga el calor sensible

Cálculo de la carga térmica latente: Expresión general Para el cálculo de la carga térmica latente (Ql) se emplea la siguiente expresión: Ql = Qli + Qlp donde, Qli= Es la carga latente transmitida por infiltraciones de aire exterior (W); Qlp= Es la carga latente debida a la ocupación del local (W). Por lo tanto, el cálculo de la carga latente se basa en calcular cada una de las diferentes cargas anteriores y sumarlas, obteniéndose así el valor de la carga latente total. Y esto es precisamente lo que se va a realizar en los próximos apartados.

Carga latente transmitida por infiltraciones de aire exterior "Qli" La carga latente transmitida por infiltraciones y ventilación de aire exterior (Qli) se determina mediante la siguiente expresión: Qli = V · ρ · Cl,agua · Δw donde, P á g i n a 12 | 17

Qli= Es la carga térmica latente por ventilación de aire exterior (W) V= Es el caudal de aire infiltrado y ventilación (m3/s); ρ= Es la densidad del aire, de valor 1,18 kg/m3; Cl,agua= Es el calor específico del agua, de valor 2257 kJ/kg; Δw= Es la diferencia de humedad absoluta entre el ambiente exterior e interior.

De esta manera, una vez obtenido el caudal de ventilación de aire del exterior que entra en el local y aplicando la formulación anterior se puede obtener la carga térmica latente debida a ventilación e infiltración en el local.   Carga latente por ocupación "Qlp" La carga latente por ocupación del local (Qlp) se determina multiplicando la valoración del calor latente emitido por la persona-tipo y por el número de ocupantes previstos para el local. La expresión para obtener el calor latente de aporte por la ocupación del local sería la siguiente: Qlp = n · Clatente,persona Siendo: n    es el número de personas que se espera que ocupen el local; Clatente,persona    es el calor latente por persona y actividad que realice   Carga latente total "Ql" La carga latente total (Ql) aportada al local es la suma de todas las anteriores: Ql = Qli + Qlp

3.5 Calculo del calor sensible P á g i n a 13 | 17

¿Qué es el calor sensible? Cuando el calor agregado o eliminado de una sustancia provoca un cambio de temperatura en el mismo, a este calor se le llama calor sensible, un ejemplo: Si tenemos un vaso de agua líquida a 0ºC y queremos subir su temperatura hasta los 2ºC tendremos que añadirle una cierta cantidad de calor, este calor que provocará esta subida de temperatura será calor sensible.

El calor sensible se puede calcular en algunos casos simples: 

Si el proceso se efectúa a presión constante:

En donde H es la entalpía del sistema, m es la masa del cuerpo, Cp es el calor específico a presión constante (definido como la cantidad de calor requerida para aumentar en un grado la temperatura de la unidad de masa de un cuerpo a presión constante), t2 es la temperatura final y t1 es la temperatura inicial del cuerpo.  Si el proceso se efectúa a volumen constante:

En donde U representa la energía interna del sistema, n son las moles de la sustancia y Cv es el calor específico a volumen constante. Los valores de calor específico varían también con la temperatura ambiente y el estado físico de agregación de las sustancias.

3.6 Factor de calor sensible P á g i n a 14 | 17

Supóngase que en un espacio acondicionado se requiere mantener cierta condición de diseño, por ejemplo, BS = 25 °C y HR = 50%. Las fugas de calor y de humedad hacia dentro del espacio deben ser compensadas suministrando aire acondicionado al espacio. Con el objeto de remover el calor sensible, el aire suministrado al espacio debe ser más frío que la temperatura de diseño del espacio. Con el objetivo de eliminar la humedad, el aire suministrado debe tener un punto de rocío menor que el punto de rocío del espacio en la condición de diseño. Para mantener la condición de diseño, en realidad, puede suministrarse al espacio acondicionado aire según una variedad de condiciones en lo que hace a las posibles combinaciones de bulbo seco, bulbo húmedo y caudal de aire. Si todas estas posibles combinaciones se calcularan, sus puntos de estado en el ábaco psicométrico se encontrarían sobre una línea recta que se originaría en el punto de estado correspondiente a la condición de diseño del espacio y cruzaría la línea de saturación por el punto de rocío del aparato. La pendiente de esta línea de condición puede ser determinada sin dificultad en el ábaco. El calor que el aire acondicionado debe extraer del espacio acondicionado comprende calor sensible y calor latente del espacio.

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Para mantener la condición de diseño no es simplemente suficiente extraer del espacio la misma cantidad de calor que la que gana éste por hora. Deben extraerse las cantidades correctas de calor sensible y de calor latente, y de ahí la importancia del punto de rocío del aparato y la línea de condición del espacio. La relación del calor sensible del espacio al calor total del espacio se llama factor de calor sensible y puede expresarse en la forma:

Donde: HS = ganancia de calor sensible por hora. HL = ganancia de calor latente por hora Se puede comprobar que el factor de calor sensible de una habitación representa la misma pendiente matemática que la línea de condición que une el punto de rocío de aparato con el punto de estado de diseño de la habitación.

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3.7 Aire de retorno Es el aire extraído del espacio acondicionado y que se vuelve introducir al sistema antes de los difusores, pero después de la unidad acondicionadora. También se le puede llamar de ''bypass'' del acondicionador.

Esquema de aire de retorno El aire de retorno no tiene efecto sobre las condiciones interiores del espacio por acondicionar, en cambio, puede ayudar a incrementar la temperatura del bulbo seco del aire suministrado, cuando por alguna razón existe un límite mínimo.

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