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Biong. Andrés Valdez Cátedra: Instalaciones Hospitalarias - Bioingeniería Acondicionamiento de Aire en Centros de Salud 1 Capítulo I: Fundamentos del Acondicionamiento de Aire para Servicios de Salud 1 Introducción El objetivo principal de este trabajo es demostrar la importancia del acondicionamiento de aire en las instituciones dedicadas al cuidado de la salud. La diferencia básica entre el acondicionamiento de aire para un hospital con respecto a otros tipos de edificios radica en: ¾ La necesidad de restringir el movimiento de aire en y entre los distintos departamentos. ¾ Los requerimientos específicos para la ventilación y filtración con el fin de diluir y remover contaminantes en forma de olores, virus y microorganismos aerotransportados, químicos peligrosos y sustancias radioactivas. ¾ Los diferentes requerimientos de temperatura y humedad de las diversas áreas. ¾ La necesidad de un diseño sofisticado para permitir un control exacto de las condiciones ambientales a fin de evitar la propagación de enfermedades infecto-contagiosas. Con estas condiciones se busca favorecer el funcionamiento organizacional del centro de salud, ya que al existir un ambiente confortable con condiciones controladas de temperatura, humedad, movimiento y pureza del aire, originará una mayor velocidad de recuperación del paciente y evitará la propagación de enfermedades hacia otros sectores del hospital. A continuación se detallarán los principios teóricos básicos y el equipamiento para lograr las metas anteriormente mencionadas, así como también se tratarán las condiciones que deben tener los ambientes sanitarios en cuanto a la calidad del aire. 2 Bases fisiológicas del acondicionamiento de aire La palabra confort proviene del idioma inglés, pero su origen es latino: con-fortaire, significa dar fuerza, alentar. Por lo tanto, se puede decir que dicha palabra señala el bienestar físico del ser humano. Existirá una sensación de confort total cuando se den ciertas condiciones en los factores luminosos, térmicos, acústicos, etc., que caracterizan el ambiente, sean ellos de origen natural o artificial. De todos estos factores en este primer capítulo se efectuará un análisis del confort térmico y de cómo lograrlo mediante la utilización de equipos de aire acondicionado y calefacción. En el capítulo siguiente se llevará a cabo un análisis sobre la calidad del aire en instituciones de salud. 2.1 Intercambio térmico con el medio ambiente Para iniciar el estudio es necesario comprender cómo funciona el organismo humano como máquina térmica, es decir, como intercambia energía con el medio ambiente. El organismo humano puede comprenderse como un sistema energético con parámetros internos que, en el caso de la temperatura, deben mantenerse dentro de límites muy estrechos. Es por ello que tiende por si mismo a mantener una temperatura interior de alrededor de 37º C, mientras disipa continuamente el calor generado en los diversos procesos metabólicos, como por ejemplo la asimilación de los alimentos, la contracción muscular, la respiración, etc. Para conseguirlo, el cuerpo humano dispone de un sistema de mecanismos de autorregulación térmica (homeostasis térmica) sensitivo y extremadamente complicado que combina varios métodos físicos y químicos, como son la variación de la cantidad de sangre enviada a la periferia del cuerpo, la modificación de la cantidad de exudación producida por el organismo, etc. con el de controlar el intercambio de calor con el ambiente y lograr mantener la temperatura interna constante (Ver Figura 1.1). Uno de los procesos biológicos fundamentales del cuerpo humano es el denominado metabolismo, mediante el cual los alimentos se combinan con el oxígeno absorbido por los pulmones, para producir calor y energía destinados a la realización de los trabajos internos y externos del cuerpo humano. En reposo el metabolismo es mínimo, emitiendo el organismo de una persona adulta aproximadamente entre 60 y 100 kcal/h. Cuando se efectúa un trabajo externo, aumenta notablemente pudiendo llegar a emitir, cuando es máximo, hasta alrededor de 400 kcal/h.

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Biong. Andrés Valdez Cátedra: Instalaciones Hospitalarias - Bioingeniería

Acondicionamiento de Aire en Centros de Salud 1

Capítulo I: Fundamentos del Acondicionamiento de Aire para Servicios de Salud

1 Introducción

El objetivo principal de este trabajo es demostrar la importancia del acondicionamiento de aire en las instituciones dedicadas al cuidado de la salud. La diferencia básica entre el acondicionamiento de aire para un hospital con respecto a otros tipos de edificios radica en:

La necesidad de restringir el movimiento de aire en y entre los distintos departamentos. Los requerimientos específicos para la ventilación y filtración con el fin de diluir y remover contaminantes en forma de olores, virus y microorganismos aerotransportados, químicos peligrosos y sustancias radioactivas. Los diferentes requerimientos de temperatura y humedad de las diversas áreas. La necesidad de un diseño sofisticado para permitir un control exacto de las condiciones ambientales a fin de evitar la propagación de enfermedades infecto-contagiosas.

Con estas condiciones se busca favorecer el funcionamiento organizacional del centro de salud, ya que al existir un ambiente confortable con condiciones controladas de temperatura, humedad, movimiento y pureza del aire, originará una mayor velocidad de recuperación del paciente y evitará la propagación de enfermedades hacia otros sectores del hospital.

A continuación se detallarán los principios teóricos básicos y el equipamiento para lograr las metas anteriormente mencionadas, así como también se tratarán las condiciones que deben tener los ambientes sanitarios en cuanto a la calidad del aire.

2 Bases fisiológicas del acondicionamiento de aire

La palabra confort proviene del idioma inglés, pero su origen es latino: con-fortaire, significa dar fuerza, alentar. Por lo tanto, se puede decir que dicha palabra señala el bienestar físico del ser humano. Existirá una sensación de confort total cuando se den ciertas condiciones en los factores luminosos, térmicos, acústicos, etc., que caracterizan el ambiente, sean ellos de origen natural o artificial.

De todos estos factores en este primer capítulo se efectuará un análisis del confort térmico y de cómo lograrlo mediante la utilización de equipos de aire acondicionado y calefacción. En el capítulo siguiente se llevará a cabo un análisis sobre la calidad del aire en instituciones de salud.

2.1 Intercambio térmico con el medio ambiente

Para iniciar el estudio es necesario comprender cómo funciona el organismo humano como máquina térmica, es decir, como intercambia energía con el medio ambiente. El organismo humano puede comprenderse como un sistema energético con parámetros internos que, en el caso de la temperatura, deben mantenerse dentro de límites muy estrechos. Es por ello que tiende por si mismo a mantener una temperatura interior de alrededor de 37º C, mientras disipa continuamente el calor generado en los diversos procesos metabólicos, como por ejemplo la asimilación de los alimentos, la contracción muscular, la respiración, etc.

Para conseguirlo, el cuerpo humano dispone de un sistema de mecanismos de autorregulación térmica (homeostasis térmica) sensitivo y extremadamente complicado que combina varios métodos físicos y químicos, como son la variación de la cantidad de sangre enviada a la periferia del cuerpo, la modificación de la cantidad de exudación producida por el organismo, etc. con el de controlar el intercambio de calor con el ambiente y lograr mantener la temperatura interna constante (Ver Figura 1.1).

Uno de los procesos biológicos fundamentales del cuerpo humano es el denominado metabolismo, mediante el cual los alimentos se combinan con el oxígeno absorbido por los pulmones, para producir calor y energía destinados a la realización de los trabajos internos y externos del cuerpo humano.

En reposo el metabolismo es mínimo, emitiendo el organismo de una persona adulta aproximadamente entre 60 y 100 kcal/h. Cuando se efectúa un trabajo externo, aumenta notablemente pudiendo llegar a emitir, cuando es máximo, hasta alrededor de 400 kcal/h.

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Acondicionamiento de Aire en Centros de Salud 2

La transferencia de calor del cuerpo al ambiente se produce por:

1) Radiación de la superficie de la piel y la vestimenta a las paredes y muebles del local. 2) Conducción y convección de la superficie de la piel y la vestimenta al aire del local. 3) Evaporación del vapor de agua por exudación de la piel. 4) Pérdidas de calor sensible y latente durante la respiración.

La suma de las fracciones de calor transmitidas por radiación, conducción y convección se denomina calor

sensible seco del cuerpo. La suma de las diferentes cantidades transmitidas por evaporación y respiración se denomina calor latente o húmedo. Todos estos componentes se hallan regulados de modo que su suma permanece constante, dentro de un campo de variación de factores ambientes bastante amplios.

Para personas en reposo y para una temperatura del aire del local de 20 °C puede considerarse: Calor Sensible Radiación 46% Calor total Seco Qs: 79% Conducción y Convección 33% cedido por el cuerpo humano Calor Húmedo Evaporación 19 % Latente Ql: 21% Respiración 2%

2.2 Balance térmico

Por lo mencionado anteriormente, es evidente que ha de existir un equilibrio entre la cantidad de calor generado en el cuerpo y su transmisión al medio ambiente. La ecuación (1) describe tal estado de equilibrio, el cual se denomina balance térmico:

M - Ed - Es - Er - L = K = R + C (1)

Figura 1.1

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Acondicionamiento de Aire en Centros de Salud 3

donde: • M : producción metabólica de calor • Ed : pérdida de calor por difusión de vapor de agua a través de la piel • Es : pérdida de calor por evaporación del sudor desde la superficie de la piel • Er : pérdida de calor latente en la respiración • L : pérdida de calor sensible en la respiración • K : calor transmitido desde la superficie de la piel hasta la superficie exterior de la vestimenta • R : calor perdido por radiación desde la superficie exterior del vestimenta. • C : calor perdido por convección desde la superficie exterior de la vestimenta.

La ecuación anterior expresa que la producción interna de calor (M) menos las pérdidas por evaporación desde la piel (Ed + Es) y las de la respiración (Er + L), es igual al calor conducido a través de la vestimenta (K) y disipado al otro lado de éste por radiación y convección (R + C). Este balance térmico incluye como única hipótesis que la evaporación del agua correspondiente a los térmicos Es y Ed ocurre en o debajo de la superficie de la piel y es por tanto aplicable a cualquier situación en régimen permanente.

En la ecuación (1) ciertos términos del balance son despreciables frente a otros o bien son función unos de otros, lo que permite simplificar notablemente el análisis. Los términos Ed, Er y K son despreciables frente a Es por lo que estos tres términos se pueden agrupar en un solo término E, el cual representa las pérdidas de calor latente por evaporación del sudor. La ecuación simplificada del balance térmico, puede expresarse de la siguiente forma:

M - E = K = R + C (2)

La cantidad de calor eliminado por evaporación puede calcularse por la fórmula:

E = K2 Vm (Pp - Pa) W (3) donde:

• E : calor intercambiado por unidad de tiempo • K2 : coeficiente que depende del sistema de unidades empleado • V : velocidad dcl aire • m : coeficiente que varía entre 0,37 a 0,63 según distintos autores • Pp y Pa : presión del vapor de agua a la temperatura de la piel y del aire respectivamente • W : superficie de la piel humedecida por el sudor

El calor desprendido por radiación se estima en base a la siguiente ecuación:

R = A Fe δ (Tp4 - TRM

4) (4)

donde: • A : área de piel que interviene en el intercambio térmico por radiación • Fe : factor de emisividad • δδδδ: constante de Boltzman, 5,67 x 10-8 Watt/m2 °K4 • Tp : temperatura de la piel • TRM : temperatura radiante media.

En general, la determinación de la cantidad de calor intercambiada por convección por el organismo humano puede obtenerse de la siguiente fórmula:

C = K1 Vn (Tp - Ta) (5)

donde: • C : calor intercambiado por unidad de tiempo • K1 : coeficiente cuyo valor depende del sistema de unidades empleado • V : velocidad del aire • Ta : temperatura seca del aire • Tp : temperatura de la piel • n : coeficiente cuyo valor varía entre 0,5 y 0,6 según distintos autores.

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Si en la ecuación (2) del balance térmico sustituimos cada uno de los términos por el valor que se ha calculado se llega a:

M - K2Vm(Pp - Pa) W = A Fe δ (Tp4 – TRM

4) + K1Vn(Tp - Ta) (6)

El análisis de las variables que intervienen en esta ecuación pone de manifiesto que éstas pueden dividirse en dos grupos:

a) Variables que definen el estado térmico del ambiente:

• Velocidad del aire, V. • Presión parcial del vapor de agua en el aire, Pa. • Temperatura seca T. • Emisividad dc los focos radiantes del local Fe (supone que la emisividad de la piel es fija). • Temperatura media radiante TRM

b) Variables que definen el estado y posición del cuerpo:

• Producción metabólica de calor, M. • Posición del cuerpo respecto a los focos radiantes, A.

Por lo tanto la sensación de confort térmico no depende solamente de la temperatura, sino también de otros factores propios del local determinantes de las sensaciones humanas de calor y frío. Las variables ambiéntales que es posible medir y controlar son esencialmente las siguientes:

I. Temperatura seca del aire. II. Temperatura media de las superficies que rodean al local.

III. Humedad relativa. IV. Velocidad del aire en la zona de permanencia.

Estos factores que influyen en el bienestar térmico pueden denominarse componentes del clima de un local, definiéndose de esa manera el clima, como las variaciones de las características atmosféricas que afectan en forma de sensación térmica los sentidos de las personas. Para la sensación de confort térmico no hay valores absolutos, ya que con las mismas condiciones de clima de un local varía la sensación para cada individuo en particular. A su vez, existen factores independientes del clima del local, que van a influir en la producción metabólica de calor, como ser el ritmo de trabajo, el grado de fatiga, edad, sexo, vestimenta, estado de salud, etc. Influyen, además, las diversas costumbres, tipo de alimentación, modos de vivir de las distintas regiones. etc. A continuación se analizarán en forma individual los cuatro parámetros indicados precedentemente.

2.3 Temperatura del aire

La temperatura del aire en la zona de permanencia de las personas constituye un punto de partida relativamente bueno para juzgar el clima de un local. Las variaciones estacionales extremas de temperatura son mayores de lo que la mayoría de las personas pueden soportar, aún en las zonas templadas, y los márgenes de temperatura dentro de los cuales las personas se sienten confortablemente, dependen de la ropa que usa, del grado de actividad física y de la época del año, ya sea invierno o verano. Ello se debe a que el metabolismo del cuerpo humano se adapta a las condiciones climáticas externas. Así, en general, puede considerarse en forma práctica los siguientes valores:

• Invierno (Indumentaria normal) 18 a 22° C

• Verano (Indumentaria liviana) 23 a 27º C

Estos valores pueden considerarse para personas en actividad sedentaria o moderadas, variándolos según el grado de actividad.

De lo mencionado anteriormente surge la necesidad de controlar la temperatura de los ambientes interiores, logrando un mayor confort para los pacientes durante su periodo de internación. Cuando se controla la temperatura máxima se habla de acondicionamiento de verano o refrigeración y cuando se controla la temperatura mínima, se trata de acondicionamiento de invierno o calefacción.

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En nuestro país, la temperatura de confort recomendada para el verano es de 25 °C, y para el invierno es de 20 °C con un margen habitual de +/- 1-2 °C.

2.4 Temperatura de las superficies del local

De acuerdo a lo mencionado precedentemente, el cuerpo humano elimina calor por radiación; cediendo calor a las superficies del entorno del local cuya temperatura es menor, o recibiéndolo de las superficies más calientes.

Para asegurar el confort, el calor que cede el cuerpo por radiación debe mantenerse dentro de ciertos límites, según la temperatura del aire del local. Por lo tanto, deben fijarse las temperaturas de las superficies del local de modo de no impedir la necesaria eliminación biológica del calor humano, ni se produzca una aceleración es este proceso dado que ello puede originar escalofríos. En general, se debe lograr un equilibrio entre dichas temperaturas superficiales y la temperatura del aire del local.

2.5 Humedad relativa Es la relación que existe entre la cantidad de agua que contiene el aire en forma de vapor, a una

temperatura dada, y la que podría contener si estuviera saturado de vapor de agua. Se la utiliza como un estimador de la presión parcial del vapor de agua en el aire.

Anteriormente se mencionó que una forma de eliminación del calor del cuerpo humano se efectúa por evaporación a través de la piel. Este mecanismo se favorece con una humedad relativa baja y se retarda si es alta, por lo tanto, el porcentaje de humedad relativa juega un papel importante en las condiciones de confort del local.

Cuando la humedad relativa es muy baja, se produce un resecamiento de las mucosas de las vías respiratorias y, además da lugar a la evaporación del sudor demasiado rápida que causa una desagradable sensación de frío. Por lo contrario, una humedad excesivamente alta dificulta la evaporación del sudor, dando una fea sensación de pegajosidad y pesadez, dificultándose la función respiratoria pulmonar. También puede llegar a producirse condensación sobre ventanas, muebles, paredes, etc. afectando al propio local en cuanto a pinturas y al mobiliario.

Pueden establecerse como límites confortables de humedad relativa entre el 30 % y 70 %, considerándose

Figura 1.2: Efectos de la humedad

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como valor óptimo tanto en verano como en invierno un 50 % de HR.

En la Figura 1.2 pueden observarse los efectos del nivel de humedad relativa ambiente sobre diversos parámetros vinculados con la salud de las persona.

2.6 Velocidad del aire El aire de un local nunca está completamente en reposo, debido a la presencia de personas y a los efectos

térmicos. En general puede considerarse que en la zona de permanencia de las personas el aire se mueve con una cierta velocidad de alrededor de 0,08 a 0,13 m/seg., pudiéndose admitir en verano hasta 0,2 m/seg.

El movimiento del aire sobre el cuerpo humano incrementa la disipación de calor y humedad de la transpiración. Este es un efecto deseable en verano ya que se obtiene una sensación de frescura. En la figura 1.3 se puede ver la relación entre la velocidad del aire y el aumento necesario en la temperatura ambiente para lograr la misma sensación térmica (tomado de la norma ASHRAE 55-1992).

Obviamente la velocidad del aire no se puede incrementar indefinidamente debido a que provoca malestar en las personas que están alojadas o realizan actividades en dicho local por dos motivos, el primero es que el calor generado por el organismo es disipado muy rápidamente provocando escalofríos, el segundo es que una velocidad del aire muy alta ocasiona sobre las personas inconvenientes similares a un viento que corriese permanentemente dentro del local.

Cabe consignar que siempre es deseable una leve brisa dado que el aire estanco es sumamente desagradable, originando en las personas sensación de encierro.

Otro de los factores importantes que influyen en el grado de confort, es una adecuada ventilación del local para mantener cierto tenor de pureza del aire, evitando olores y su viciamiento. La composición física y química del aire comprende un determinado número de elementos que entran en juego para lograr esa pureza que se detallará en el Capítulo II.

3 Control de la temperatura ambiente

El control de la temperatura ambiente tiene como objetivo lograr extraer el excedente de calor en el verano, y de proporcionar una determinada cantidad de calor durante el invierno, con el objetivo de mantener el confort térmico en un determinado ambiente. Esto puede ser llevado a cabo a través de distintas alternativas de equipamiento, como ser una combinación de maquinas lavadoras de aire (verano) con calderas para la producción de vapor de agua (invierno), equipos de refrigeración/calefacción de expansión directa, etc..

Figura 1.3

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A continuación se describirá en detalle los equipos de expansión directa con bomba de calor, ya que si bien el costo inicial de la instalación es alto, con un solo equipo se puede llevar a cabo el acondicionamiento de temperatura tanto en verano como en invierno y lo simplifica en gran medida en las estaciones de transición (primavera y otoño).

3.1 Sistema de verano

El equipo de acondicionamiento de aire se encarga de producir frío o calor y de impulsar el aire tratado al ambiente que se desea acondicionar.

Generalmente, los acondicionadores de aire funcionan según un ciclo frigorífico similar al de las heladeras domésticas. Al igual que estos electrodomésticos, los equipos de acondicionamiento poseen cuatro componentes principales (ver Figura 1.4).

Comenzando desde el compresor (bomba de compresión de vapor), este recibe gas refrigerante a baja presión y alta temperatura desde la línea de succión, lo comprime y lo envía por la línea de descarga hacia el condensador. El refrigerante en este punto es un vapor a alta temperatura, alta presión y al que se le ha adicionado el calor de compresión. El condensador es un intercambiador de calor el cual extrae calor del gas refrigerante comprimido y lo condensa transformándolo en un líquido de baja temperatura a alta presión, y es enviado a la línea de líquido. Desde este punto líquido refrigerante es dirigido hacia el dispositivo de restricción (metering), el cual fuerza al flujo de refrigerante a pasar a través de una pequeña restricción que causa una brusca caída de presión, provocando que el refrigerante se convierta en una niebla de pequeñas gotitas a baja presión y baja temperatura. A continuación, el refrigerante ingresa al evaporador, que es otro intercambiador de calor, en donde absorbe calor del local que se desea acondicionar transformándose en vapor a baja presión y alta temperatura. A partir de aquí el refrigerante es succionado por el compresor para completar el ciclo. El refrigerante es utilizado una y otra vez absorbiendo calor de un ambiente y relocalizándolo en otro.

3.1.1 Compresor

El compresor comprime el gas y mueve el refrigerante alrededor del circuito, pudiendo realizar esta función una y otra vez. El primer paso para convertir refrigerante en forma de gas a líquido es comprimirlo, desafortunadamente el proceso de compresión agrega más calor al gas, el llamado calor de compresión. La Figura 1.5 muestra un compresor del tipo reciprocante.

Este tiene un pistón que sube y baja; cuando el pistón golpea hacia abajo el vapor refrigerante es arrastrado hacia el cilindro. Cuando el pistón golpea hacia arriba el vapor es comprimido e impulsado hacia el resto del circuito. Intercaladas en el circuito hay válvulas unidireccionales que impiden que el vapor se devuelva hacia atrás. Las válvulas se abren y cierran en respuesta a la presión que el refrigerante ejerce sobre ellas por acción del pistón. El gas comprimido y caliente es enviado a la línea de descarga y continua hacia el condensador.

Figura 1.4: Componentes básicos de un equipo de aire acondicionado

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3.1.2 Condensador

El condensador es un intercambiador de calor compuesto por conjunto de serpentines que conducen el refrigerante por su interior. Su función es extraer calor del gas refrigerante comprimido y caliente proveniente de la línea de descarga y convertirlo en líquido. El serpentín del condensador esta fabricado de un material que posee una buena conductividad térmica, comúnmente cobre. Para mejorar la transferencia de calor, las tuberías tienen adosadas aletas de aluminio que incrementan en gran medida el área de contacto que está expuesta al ambiente exterior. Normalmente el condensador tiene adosado un ventilador cuya función será la de forzar al aire a pasar a través de las aletas.

3.1.3 Dispositivo de restricción (metering)

Existen distintos tipos de dispositivos de restricción, pero todos realizan la misma función general, la cual es causar una fuerte caída de presión.

La columna de líquido conducida por la línea de líquido es forzada a pasar a través de un pequeño orificio, donde se produce una gran caída de presión convirtiéndose en vapor saturado. La Figura 1.4 muestra un dispositivo de restricción de línea capilar. Este es un tubo largo y pequeño el cual tiene un diámetro interno mucho menor que la línea de líquido. La línea capilar no tiene partes móviles y no puede responder a cambios en la carga térmica sobre el evaporador.

Otro tipo muy común de dispositivo de restricción es la llamada válvula TX, su nombre completo es válvula termostática de expansión, o abreviado TXV. Esta válvula tiene la capacidad de regular el flujo de

Figura 1.5: Compresor

Figura 1.5: Válvula TXV

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refrigerante, pudiendo responder a cambios en la carga térmica sobre el evaporador. Si la carga térmica aumenta, la válvula incrementa el flujo de refrigerante o viceversa. La Figura 1.5 muestra este tipo de dispositivo y otros componentes adicionales.

La TXV tiene un sensor de temperatura unido a la salida del evaporador. Este mide la temperatura de la línea de succión y envía una señal a la TXV permitiéndole a ésta que ajuste el flujo de refrigerante. Esto es importante a causa de que si no todo el refrigerante en el evaporador cambia al estado gaseoso podría haber refrigerante líquido retornando al compresor. Este puede sufrir graves daños mecánicos ya que un líquido no puede ser comprimido.

Otro de los componentes extra que ha sido agregado es el llamado receptor. Su función es almacenar el refrigerante no necesitado, cuando la TXV reduce el flujo. Nótese que el tubo de salida está inmerso para asegurar que es solo líquido lo que alimenta a la línea de líquido, evitando alimentar a la TXV con una mezcla de líquido y gas. 3.1.4 Evaporador

El dispositivo de restricción pulveriza gotitas de refrigerante a baja presión en el evaporador. El evaporador es un serpentín de características similares al condensador y su función es reducir la temperatura del aire que pasa a través de él y a su vez provocar la evaporación del refrigerante.

Las gotitas del refrigerante tienen la capacidad de absorber una gran cantidad de calor del flujo de aire que atraviesa el evaporador a causa de que están se cumplen las condiciones termodinámicas para que ocurra el cambio de fase del refrigerante, del estado líquido a estado gaseoso. Por lo tanto el aire es enfriado y es venteado a la habitación, donde se calentará y será captado nuevamente por el ventilador, repitiendo el ciclo y extrayendo más calor. Este proceso continua hasta que la habitación es enfriada a la temperatura deseada y luego el sistema de refrigeración se desconecta y se detiene. El refrigerante en forma de vapor es sometido a una succión que lo lleva a la línea de succión.

3.1.5 Accesorios

Existen varios accesorios que pueden ser agregados a un sistema de refrigeración para mejorar su rendimiento. La Figura 1.6 muestra el sistema descripto al que se le han agregado un filtro y un visor de vidrio. El filtro atrapa partículas no deseadas, evitando que obstruyan dispositivos importantes (y caros) tales como la válvula TX. El filtro también contiene un secante que absorbe pequeñas cantidades de agua, las cuales no estaban en el sistema cuando este se puso en marcha.

El visor de vidrio es una ventana de visualización que le permite al técnico observar si está presente la columna completa de líquido refrigerante en la línea de líquido.

Figura 1.6: Accesorios

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Para mejorar la transferencia de calor se pueden colocar aletas sobre el condensador y el evaporador y también se puede agregar un par de ventiladores que muevan el aire a través de estas aletas. Estos últimos son llamados ventilador del condensador y del evaporador respectivamente (ver Figura 1.7).

Actualmente en los sistemas de refrigeración, el equipo se dispone en dos secciones (ver Figura 1.8), el evaporador se coloca en el ambiente a acondicionar donde hay una carga térmica y el conjunto formado por el compresor y el condensador en el exterior.

La Figura 1.9 es una representación de como se vería una instalación actual.

3.2 Sistema de invierno

Los acondicionadores de aire anteriormente descriptos pueden impulsar aire caliente y trasladarlo al local a acondicionar, produciéndose el calor a través del ciclo frigorífico. Este método es aconsejable por su alto rendimiento y es el que se utiliza en los equipos denominados bombas de calor.

Figura 1.8: Sistema partido

Figura 1.7: Ventiladores

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Supongamos que un equipo de acondicionamiento de aire se invierte físicamente. El evaporador, que estaba en el interior del local, pasa a situarse fuera del mismo, y el condensador, que estaba en el exterior, se situará ahora dentro del local. La Figura 1.10 muestra la nueva disposición, que corresponde a una bomba de calor funcionando en condiciones típicas de invierno.

En el caso específico de la Figura 1.10, el aire exterior a una temperatura de 8 ºC atraviesa el evaporador, se enfría y finalmente se expulsa a una temperatura más baja, por ejemplo a 2 ºC.

Por su parte, el condensador aspira el aire del local (por ejemplo a 20 °C) y lo retorna al mismo una vez calentado (por ejemplo a 32 °C). De esta manera el recinto se mantendrá a la temperatura requerida de 20 °C.

Puede observarse que al invertir el emplazamiento físico del equipo la situación es la siguiente: el evaporador sigue enfriando, pero ahora enfría el aire exterior y, lo que es más importante, absorbe o recupera energía de dicho ambiente exterior. Por la parte exterior del equipo se notará una corriente de aire, pero no caliente como en verano sino fría.

La ventaja fundamental de la bomba de calor consiste en que es capaz de suministrar más energía de la que consume. Esta aparente contradicción con uno de los principios más sólidos de la termodinámica (el primero), se explica por el hecho de que el equipo recupera energía "gratuita" del ambiente exterior.

Por ejemplo, una bomba de calor puede proporcionar a un local 2,5 kWh absorbiendo de la red tan solo 1 kWh. Los restantes 1,5 kWh se obtienen gratuitamente del aire exterior.

Figura 1.9: Instalación actual

Figura 1.10: Equipo en régimen de invierno

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La Figura 1.11 representa un diagrama de bloques que ilustra el rendimiento de una bomba de calor.

Las cifras indicadas en la figura son:

1.Energía total entregada por el condensador al local (2,5 kWh). 2.Energía "no gratuita" tomada de la red eléctrica por el compresor

(1kWh).

3.Energía "gratuita" tomada del aire exterior por el evaporador (1,5 kWh).

La eficiencia de esta bomba de calor vendría expresada por el cociente entre la energía entregada al local (efecto útil) y la energía absorbida de la red eléctrica, es decir:

Eficiencia = 2,5

En consecuencia, la bomba de calor es potencialmente de gran interés para el usuario, dado que éste paga por una cantidad de energía menor que la aportada por el equipo para calentar el local.

3.3 Sistemas para todo el año

Es una combinación de los dos anteriores en un solo aparato. Lógicamente, no es preciso invertir la posición física del equipo para pasar del funcionamiento de verano al de invierno, sino que la bomba de calor está dotada de unos dispositivos internos que le permiten trabajar de un modo u otro, sin manipular el aparato. En otras palabras, basta actuar sobre los

mandos del equipo para que de un modo automático se establezca el régimen de frío o calor deseado.

Puede deducirse de lo dicho anteriormente la conveniencia de utilizar equipos acondicionadores con bomba de calor, para su funcionamiento tanto en verano como en invierno. Además, un equipo con bomba de calor sólo supone, aproximadamente, un 20 % de incremento, frente a la inversión necesaria para un acondicionador convencional exclusivamente para el verano.

3.4 Clasificación de los equipos de acondicionamiento de aire

Esta clasificación está basada primordialmente en el número de equipos necesarios para lograr el acondicionamiento de temperatura en todo un edificio

a) Sistemas centralizados

En este caso un solo equipo atiende al conjunto de ambientes a climatizar. Todos los componentes se hallan agrupados en una sala de máquinas, desde donde se distribuye el aire acondicionado al resto de los ambientes por medio de conductos.

b) Sistemas unitarios

En este caso se trata de equipos independientes que se instalan en el lugar a climatizar. Tienen un costo inicial moderado y una mayor flexibilidad de funcionamiento pero tienen una vida útil menor que los sistemas centrales.

Asimismo, tanto los equipos unitarios como los equipos centralizados pueden ser de disposición compacta o partidos (split). Los primeros constan de una sola unidad, mientras que los partidos están formados por dos o más unidades (ver Figura 1.8 y 1.9).

A continuación se detallarán algunos de los tipos y disposiciones de equipos que pueden encontrarse disponibles comercialmente.

3.4.1 Equipo central compacto

Es un equipo de descarga indirecta, mediante red de conductos y emisión de aire a través de rejillas en la pared o difusores en el techo. Es necesaria una toma de aire exterior y se puede colocar en un falso techo o en un armario, existiendo modelos horizontales y verticales. (Ver Figura 1.12).

Figura 1.11: Eficiencia deuna bomba de calor

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Generalmente se instala un equipo para todo el servicio. El control en el equipo es individual, y se realiza de acuerdo con las condiciones de confort de la habitación más representativa.

3.4.2 Equipo central partido

Es también un equipo de descarga indirecta, mediante red de conductos y emisión de aire a través de rejillas en la pared o difusores en el techo.

Está formado por dos unidades: el compresor y el condensador situados en la unidad exterior, mientras que la unidad evaporadora se instala en el interior, conectada a la red de conductos que transportan el aire. Ambas unidades se conectan mediante las líneas del refrigerante. (ver Figura 1.13).

Como en el caso anterior, se suele instalar un equipo para todo el servicio. El control es individual en el equipo, y se realiza de acuerdo con las condiciones de confort de la habitación más representativa.

Para asegurar una correcta ventilación de las dependencias acondicionadas, la unidad interior precisa una toma de aire exterior, evitando recircular el 100 % del aire que proviene de los ambientes tratados. Esta unidad suele ser, en general, de tipo horizontal, para facilitar su colocación oculta en un falso techo.

Figura 1.12: Equipo central compacto

Figura 1.13: Equipo central partido

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3.5 Cálculo de la carga de refrigeración y calefacción

La función principal del acondicionador de aire es mantener dentro de un ambiente determinado, condiciones de confort para las personas que se encuentran alojadas allí. Para conseguirlo se debe instalar un sistema con la capacidad adecuada, la cual se determina a partir de la máxima carga de acondicionamiento real o efectiva.

Se entiende como carga real de acondicionamiento a la cantidad de calor que hay que extraer en verano o en invierno para producir o mantener en el espacio acondicionado las condiciones de confort, y cuyo cálculo determinará las características y dimensiones de la instalación.

Para una estimación realista de las cargas de refrigeración y de calefacción es requisito fundamental un estudio riguroso del espacio que va a ser acondicionado. Es indispensable que el estudio sea preciso y completo, no debiendo subestimarse su importancia. En todo caso deben considerarse los siguientes aspectos físicos:

• Orientación del edificio: con respecto a: Puntos cardinales: efectos del viento y del sol Estructuras permanentes próximas: efectos de sombra

• Destino del local: oficinas, hospital, etc. • Dimensiones del local: ancho, alto y largo • Materiales de construcción: materiales y espesor de paredes, techos, suelos, y tabiques y su

posición relativa en la estructura • Condiciones de los ambientes adyacentes: temperatura de espacios adyacentes no

acondicionados, existencia de sótanos, áticos, etc. • Ventanas: dimensiones y situación, marcos de madera o de metal. Vidrios simples o múltiples,

tipo de persiana, etc. • Puertas: situación tipo, dimensiones y frecuencia de empleo • Ocupantes: número, tipo de actividad que desarrollan • Luminarias: potencia en hora pico, tipo de luminara • Equipamiento de diverso tipo: motores, equipamiento electrónico, etc. • Ventilación: caudal de aire que se suministra a la habitación • Almacenamiento térmico: horario de funcionamiento del sistema, variación admisible de

temperatura • Funcionamiento continuo o intermitente

Las cargas de refrigeración varían mucho durante el día y dependen fundamentalmente de las condiciones exteriores, por lo que su cálculo requiere estimar las ganancias de calor a distintas horas, con objeto de determinar sus variaciones, y en qué momento se produce esa condición más desfavorable.

La valoración de la carga de calefacción sirve de base para seleccionar el equipo de calefacción. Normalmente se calcula dicha carga considerando las temperaturas invernales que se producen generalmente de noche, por este motivo no se toman en cuenta las ganancias de calor producidas por fuentes internas (personas, luminarias, etc.). Esta evaluación debe tener en cuenta las pérdidas de calor a través de las paredes del edificio que rodean los espacios acondicionados y el calor necesario para compensar las entradas de aire exterior, producidas por infiltración o necesarias para ventilación.

La hora de carga máxima puede establecerse generalmente por simple examen de las condiciones del local; no obstante en algunos casos deben hacerse estimaciones a diversas horas del día. En realidad rara vez ocurre que todas las cargas alcancen su máximo a la misma hora. Para obtener resultados reales deben aplicarse varios factores de simultaneidad a algunos componentes de la carga.

Después de hacer la evaluación de la carga, debe elegirse el equipo cuya capacidad sea suficiente para neutralizar la carga. El aire suministrado hacia el espacio acondicionado debe tener las condiciones necesarias para satisfacer las cargas que han sido estimadas.

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4 Control de humedad relativa

Normalmente el aire provisto por el sistema de acondicionamiento central, circula por los ductos de ventilación con una humedad relativa (HR) muy baja, ya que en caso contrario, sería el caldo de cultivo perfecto para la reproducción de contaminantes biológicos, dadas las condiciones de temperatura constante, humedad, espacios cerrados, suciedad y oscuridad.

Una dificultad adicional de la contaminación de los ductos de ventilación, es que estos se componen de muchas partes mecánicas, depósitos y muchos metros de conductos complejos, por lo que la decontaminación es muy difícil.

El sistema de aire acondicionado del servicio es el responsable de quitar la humedad del aire que ingresa al sistema de ventilación. Dentro del acondicionador de aire, el aire húmedo es dirigido a través del serpentín frío del evaporador, y es enfriado por debajo de la temperatura de punto de rocío. Esto provoca que el aire libere humedad, la cual es colectada en un recipiente y es drenada fuera del sistema. El aire enfriado y seco es liberado hacia el sistema de ventilación.

El aire que llega a los distintos ambientes debe ser humidificado para lograr las condiciones fisiológicas de confort (aproximadamente 50 % de HR), para lo cual se debe implementar un sistema de control de humedad, el cual consta de los siguientes elementos :

Sensor de humedad (humidistato) Humidificador (puede ser del tipo pulverizador, electrolítico o ultrasónico) Controlador

4.1 Sensor de humedad

Los sensores de humedad tienen diversas aplicaciones, comúnmente se los encuentra en los equipos modernos de calefacción, ventilación, aire acondicionado, humidificadores y otros que requieren tener un control permanente de la humedad del medio en el que están actuando.

La detección y el monitoreo de la humedad es más complejo que medir otros parámetros físicos. Existen distintas tecnologías en sensores para la medición de humedad, los cuales también son llamados humidistatos o higrómetros, basados en la tendencia de ciertos materiales a cambiar sus propiedades físicas o eléctricas al exponerlos a la humedad, entre los cuales se pueden escoger de acuerdo a las necesidades de la aplicación y al presupuesto disponible.

Por su sencillez, adaptabilidad y características técnicas solo se describirán los sensores electrónicos, los cuales miden el cambio de las propiedades eléctricas con la humedad. Los más utilizados son:

Sensor resistivo Sensor cerámico Sensor capacitivo Sensor de polímero

Se debe tener en cuenta que tipo de contaminantes o polvos químicos van a estar en contacto con el sensor ya que es de vital importancia para su vida útil.

4.1.1 Sensores capacitivos

Estos detectan cambios en las propiedades dieléctricas de ciertos materiales, inducidos por la presencia de humedad. Están formados por una delgada película aislante con características higroscópicas (dieléctrico) recubierta de una capa metalizada sobre ambos lados, cuando ésta absorbe las moléculas de vapor de agua cambian sus propiedades dieléctricas, lo cual produce un cambio correspondiente en la capacitancia, estos sensores son parte importante del mercado mundial ya que ofrece niveles de precisión entre el 2 % y el 15 % y pueden medir humedades relativas desde el 10 % hasta el 90 %.

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4.1.2 Sensores resistivos

Están formados por un par de eléctrodos de cinta metálica dispuestos en forma de zigzag sobre un placa plástica (sustrato) y eléctricamente aislados entre sí (ver figura 1.14). Ambos eléctrodos están recubiertos por una solución acuosa de cloruro de litio (ClLi) u otro tipo de sal higroscópica (F2Ba, P2O5, etc.). Estas sales tienen la propiedad de variar considerablemente su resistencia al aumentar o disminuir la humedad ambiente, esto es debido a que libera o absorbe iones de la película metálica de soporte.

Estos instrumentos son muy precisos (2 % a 3 %) y pueden medir humedades entre el 5 % y el 95 % de HR. Su tiempo de respuesta es lento y muy variable pudiendo sobrepasar los 10 seg., debido a que el material activo debe absorber el vapor de agua, y la relación entre la humedad relativa y la resistencia no es lineal sino exponencial (ver figura 1.14).

Una de las principales desventajas de estos sensores es que no deben ser utilizados en atmósferas contaminadas con sal o polvo excesivo, ni ambientes contaminados con dióxido de azufre, vapores ácidos, amoniaco, cloro, vapores alcalinos, acetileno, óxido de etileno u otros gases. Tampoco deben ser expuestos a humedades relativas por encima de la máxima especificada por el fabricante ya que pueden sufrir daños permanentes. El tiempo de respuesta es muy variable dependiendo del tamaño y puede sobre pasar los diez segundos.

4.1.3 Sensores cerámicos

Están formados por un sustrato de óxido de aluminio impreso con huellas de oro y cubierto por una delgada capa de óxido de zinc–estaño dopado (Zn2SnO4). (Ver figura 1.15).

El dopante funciona descomponiendo las moléculas de agua depositadas sobre la superficie del mismo en iones H+ y OH-, generando una salida resistiva mientras se aplica un voltaje de excitación AC. (1V a 5V, 10 Hz a 200 KHz). Bajo estas condiciones, la impedancia de salida del sensor varía típicamente desde 25,6 MΩ con una humedad relativa del 10 % hasta 390 Ω con una humedad relativa del 90 %.

El tiempo de respuesta de este sensor es muy corto, debido a que el dopante no requiere una absorción completa del vapor de agua. La vida útil es muy larga debido a que el dopante no degrada sus propiedades dieléctricas. Un ejemplo de estos sensores pueden ser los ERH300, los cuales tienen un rango de operación de humedad relativa entre el 10 % y el 90 % con temperaturas de hasta aproximadamente 250 ºC.

Aspecto físico Variación de la resistencia en función de la humedad

Figura 1.14: Sensores de humedad resistivos

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Figura 1.15: Sensor de humedad cerámico

4.1.4 Sensores de polímeros

Su estructura física es similar a la de los sensores resistivos y cerámicos pero se basan directamente en los cambios de resistividad del sustrato y no necesitan de una película higroscópica. Esto se logra tratando químicamente la superficie de captación. Este sustrato es generalmente una base de poliestireno tratada con ácido sulfúrico.

La variación de la humedad produce un cambio en la resistencia de la superficie del sensor, debido a que el radical sulfato (SO4) libera o absorbe los iónes H+ procedentes de la humedad. La exactitud de estos puede estar entre el 2 % y el 10 % y rango de medición de humedad relativa entre el 30 % y el 90 %.

4.2 Humidificador

Los humidificadores son dispositivos que tiene diversas aplicaciones, como por ejemplo, mantener niveles de humedad que aseguren las condiciones requeridas por un proceso de manufactura, disminuir la tasa de transmisión de enfermedades bacterianas en hospitales, reducir la electricidad estática en ambientes de fabricación limpios y en salas de computadoras y proveer mayores niveles de confort a los trabajadores de oficinas.

Es el bloque más importante del sistema, ya que es el encargado de agregarle humedad al aire seco que proviene de los ductos de ventilación en base a una señal de control proveniente del controlador. Hay distintas maneras de producir la nebulización del agua, lo que da origen a los distintos tipos de humidificadores.

En el pasado la humidificación era provista solamente donde era necesario para manufacturación y dependía de la inyección directa de vapor proveniente de la caldera utilizada para calefaccionar el edificio. Estos sistemas eran baratos y se los encontraba comúnmente en hospitales, imprentas y fábricas y se los denomina sistemas de vapor directo.

Estos evolucionaron a los humidificadores “vapor a vapor” en los cuales el vapor proveniente de las calderas es utilizado para producir la evaporación de agua limpia contenida en otro recipiente. Por lo que se asegura el suministro de vapor limpio a los ductos de ventilación sin contaminación de agentes anticorrosivos utilizados en las calderas.

Existen básicamente dos categorías de humidificadores: isotérmicos y adiabáticos. Los sistemas isotérmicos utilizan electricidad, vapor, agua caliente o gas natural como fuente de calor externa para transformar el agua del estado líquido al gaseoso y el vapor es luego agregado al aire de suministro.

Esta categoría incluye los humidificadores de resistencia eléctrica en inmersión, humidificadores electrolíticos y humidificadores “vapor a vapor”.

El más simple de los humidificadores isotérmicos consiste de un reservorio para el agua y una resistencia eléctrica sumergida en él. Al hacer circular corriente por la resistencia esta se calentará y provocará la

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vaporización del agua que será absorbida por el aire seco que circula a través del ducto, modificando su contenido de humedad.

Estos humidificadores por su simpleza no son capaces de cubrir una gran carga de humedad, por lo que se requiere de otro modo de nebulización de mayor capacidad de entrega. Además tiene la desventaja de que al entregar vapor de agua caliente, en el verano incrementa la carga de refrigeración del sistema de acondicionamiento de aire.

Los humidificadores adiabáticos utilizan energía mecánica para generar una niebla de partículas de agua que son inyectadas al aire suministrado. Estos utilizan menos energía que los humidificadores isotérmicos a causa de que no hierven el agua y no pierden agua caliente por el drenaje cuando se enjuaga el reservorio. El calor del aire es absorbido por las gotitas de agua y se evaporan. Este proceso provee de enfriamiento “gratis” del aire suministrado y en esta categoría se incluyen pulverizadores, atomizadores y humidificadores ultrasónicos.

Los humidificadores ultrasónicos han demostrado ser más eficientes (utilizan solo un 7 % de energía eléctrica con respecto a otras tecnologías de humidificación alternativas) y requieren menos mantenimiento que otros tipos de tecnologías tales como los humidificadores electrolíticos y no requieren aditivos anticorrosivos que pueden afectar la calidad del aire en el interior de los edificios.

Los componentes principales de un humidificador ultrasónico son: un módulo de suministro de agua con una malla capturadora, uno o más módulos de nebulización, una o más placas de circuito impreso del nebulizador y varios deflectores de vapor. Todo estos elementos están contenidos dentro de una carcaza de plástico o de acero inoxidable (ver Figura 19).

El suministro de agua es controlado automáticamente por una válvula solenoide cuya apertura o cierre

depende del nivel de agua. El humidificador posee dos sensores de nivel flotantes, uno que sensa el nivel superior de agua (evita que el depósito de agua se rebalse) y otro el nivel inferior (evita que el depósito se vacíe).

Cada módulo de nebulización consta de un circuito electrónico de baja potencia que consiste de un oscilador, el cual genera una señal eléctrica de alta frecuencia. Esta señal es aplicada sobre el transductor ultrasónico, el cual convierte la energía eléctrica en energía mecánica, causando que las partículas de agua vibren a una alta velocidad (cavitación), produciéndose la nebulización. El oscilador está montado sobre una plaqueta en la unidad de control del humidificador y los transductores están inmersos en un recipiente de agua desmineralizada. El transductor está diseñado de tal modo que el efecto de cavitación ocurra lo más cerca de la superficie del agua.

Figura 1.16: Humidificador ultrasónico

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Las partículas nebulizadas tienen un diámetro promedio de 1 micrón (0,001 mm) y cualquier partícula de agua de diámetro mayor es atrapada por la malla capturadora y depositada en el tanque de agua. La frecuencia de oscilación está en el rango de 1 a 2 MHz., debiéndose tener en cuenta que los humidificadores que operan en el rango de los KHz no son aceptables.

Existen dos potenciales desventajas de los humidificadores ultrasónicos, la primera es que deben utilizar agua sin minerales (desionizada) o agua tratada con ósmosis inversa. El agua tratada reduce los costos de mantenimiento porque elimina los depósitos de calcio, pero incrementa los costos operativos que implica la desionización. A su vez la niebla fría que proviene del humidificador ultrasónico absorbe energía de la fuente de suministro de aire cuando se evapora y provee un efecto de enfriamiento secundario. Este enfriamiento es beneficioso en aplicaciones donde se requiere humidificación y refrigeración simultáneamente, pero es perjudicial cuando se calefacciona y se humidifica, aunque los requerimientos de humedad en invierno no son muy exigentes.

El sistema de tratamiento de agua remueve los minerales disueltos a través de desionización o por ósmosis inversa. En la Figura 1.17 se muestra un corte de un recipiente para desionización, el cual contiene en su interior resinas desmineralizadoras que captan los iónes disueltos en el agua. La combinación de ósmosis inversa y desionización es el mejor método para generar agua desmineralizada para los humidificadores ultrasónicos, aunque el costo de un dispositivo de ósmosis inversa muchas veces es prohibitivo. El agua a la salida del sistema de tratamiento deberá tener una resistencia eléctrica que exceda 1 MΩ.

Es importante el correcto dimensionamiento y una buena adaptación del humidificador al equipo de acondicionamiento de aire. Todos los tipos de humidificadores (ultrasónicos, vapor calentado, aire comprimido) deben satisfacer estrictos parámetros de instalación para evitar el depósito de agua estancada en el sistema de suministro de aire. Los ductos de aire deberían ser dimensionados para que la velocidad del aire a través de los humidificadores no exceda 5 m/seg ya que se produciría una evaporación incompleta de la niebla en el interior de los ductos o en los pisos y se deberían utilizar expansiones para asegurar velocidades de aire ideales de 2 a 3 m/seg.

Los humidificadores en los ductos de suministro de aire deberían ser instalados a 3 - 4 metros corriente abajo de cualquier codo u obstrucción en el ducto, de tal manera que la niebla tenga tiempo de evaporarse y no se condense en las paredes del ducto u obstrucciones.

Si se instalan varios humidificadores, deben ser colocados en forma de escalera, con el humidificador más cercano a la entrada del flujo de aire en la posición más alta.

Figura 1.17: Tratamiento de agua con desionización

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Un humidificador ultrasónico comúnmente contiene dos alarmas, la de conductividad eléctrica del agua que avisa cuando se deben cambiar los recipientes desmineralizadores y el de falla general del dispositivo.

Los humidificadores ultrasónicos requieren muy bajo mantenimiento; el tiempo de vida esperado del transductor es de 10.000 horas de operación y su reemplazo solo es necesario cada 3 a 5 años. El sistema de tratamiento de agua requiere mantenimiento periódico, limpieza de los filtros y recambio de los recipientes de desmineralización. La frecuencia de esta operación depende de la calidad de agua local y no puede ser generalizado.

4.3 Controlador

El controlador está permanentemente recibiendo la señal del sensor de humedad, que está colocado en el ambiente controlado, y la compara con el valor de humedad relativa seteado previamente (aproximadamente 50 %). Cuando el valor de humedad relativa es menor que el valor estipulado, se acciona el humidificador, agregando humedad al ambiente.

Se pueden utilizar diferentes esquemas de control, pero generalmente se utilizan controladores PID, el cual modula el funcionamiento del humidificador. Un esquema del sistema completo puede verse en la Figura 1.18.

4.4 Cálculo de la carga de humedad

Para el dimensionamiento del humidificador es necesario conocer la cantidad de humedad que este deberá suministrar en la unidad de tiempo, también llamada Carga de Humedad.

En la determinación de la carga de humidificación, se deben seguir los siguientes pasos:

1. Determinar los grains de humedad que se agregarán a cada pie3 de aire a ser humidificado (Xr), teniendo en cuenta la temperatura de la sala y el nivel de humedad deseado. Los datos se obtienen de la Tabla I y se los multiplica por el porcentaje de humedad relativa. Repetir el procedimiento para el aire que entrega el sistema de acondicionamiento de aire o que provenga desde el exterior (Xe).

2. Determinar el volumen máximo de aire a ser humidificado en una hora. Esto se obtiene multiplicando el volumen de la sala por la cantidad de cambios de aire por hora.

Figura 1.18: Sistema de control de humedad

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7000/)(60 VsXeXrFACH −××=

3. Calcular la carga de humedad a partir de la siguiente fórmula:

(7)

donde: CH = carga de humedad [lb/hr]

FA = flujo de aire que ingresa a la sala [pie3/min] 60 = constante [min/hr] Xr = grains de humedad por pie3 (diseño de la sala) Xe = grains de humedad por pie3 de aire seco que pasa por el humidificador 7.000 = constante de conversión de unidades[grains/lb]

Todas las unidades utilizadas en el cálculo de la carga de humedad corresponden al sistema de medidas inglés donde la unidad más común para la humedad absoluta (contenido de humedad en el aire) es “grains” de vapor de agua por libra de aire seco. Donde:

1 grain = 0,0648 grs.

1 libra = 453,6 grs.

Por lo tanto la constante 7.000 convierte el número de grains en libras de humedad y resulta de:

Supóngase que se desea determinar los requerimientos de humedad de un determinado ambiente, para lo cual se deben utilizar la fórmula y la tabla anterior de la siguiente manera:

Ejemplo: Supóngase una habitación de internación para pacientes aislados: a partir de las medidas físicas y del número de renovaciones de aire por hora se determina un flujo de aire de 699,23 pie3/min de aire 100 % externo, a 30° C y 0 % HR, debe ser humidificado para mantener una habitación a 25 °C y a una humedad relativa del 50 %.

CH = 699,23 x (0,5 x 10,06 - 0 x 13,27) x 60 min/hr/7.000 grains/lb

= 30 lbs/hr de humedad x 0,454 Kg/lb = 13,7 Kg/hr

El factor 0,454 se utiliza para convertir las unidades inglesas al sistema internacional, que es el utilizado en Argentina.

ctte = ( ) grains

gr x 453.6

grlb

grainslb

10.0648 = 7000

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Grains de Agua Por Pie Cúbico de Aire Saturado (100% H.R.)

°C Grains °C Grains °C Grains °C Grains °C Grains °C Grains

-23.3 .29 4.4 2.86 14.4 5.41 24.4 9.75 35 17.28 45.6 29.34

-20.5 .35 5 2.97 15 5.60 25 10.06 35.5 17.80 46.1 30.13

-17.7 .48 5.5 3.08 15.5 5.80 25.5 10.40 36.1 18.31 48.9 34.38

-15 .61 6.1 3.20 16.1 6.00 26.1 10.80 36.7 18.85 51.7 39.13

-12.2 .78 6.6 3.32 16.6 6.20 26.7 11.04 37.2 19.39 54.5 44.41

-9.4 .99 7.2 3.44 17.2 6.41 27.2 11.40 37.8 19.95 57.2 50.30

-6.67 1.24 7.7 3.56 17.8 6.62 27.8 11.75 38.3 20.52 60 56.81

-3.8 1.56 8.3 3.69 18.3 6.85 28.3 12.11 38.9 21.11 62.8 64.04

-1.1 1.95 8.9 3.83 18.9 7.07 28.9 12.49 39.4 21.71 65.6 72.00

-0.5 2.04 9.4 3.97 19.4 7.31 29.4 12.87 40 22.32 68.4 80.77

0.014 2.13 10 4.11 20 7.57 30 13.27 40.6 22.95 71.1 90.43

0.57 2.21 10.5 4.26 20.5 7.80 30.5 13.67 41.1 23.60 73.9 101.00

1.1 2.29 11.1 4.41 21.1 8.10 31.1 14.08 41.7 24.26 76.7 112.60

1.6 2.38 11.6 4.56 21.6 8.32 31.7 14.51 42.2 24.93 79.5 125.40

2.2 2.47 12.2 4.72 22.2 8.59 32.2 14.94 42.8 25.62 82.3 139.20

2.7 2.56 12.8 4.89 22.8 8.87 32.8 15.39 43.3 26.34 85 154.30

3.3 2.66 13.3 5.06 23.3 9.15 33.3 15.84 43.9 27.07 87.8 170.70

3.9 2.76 13.9 5.23 23.9 9.45 33.9 16.31 44.4 27.81 90.6 188.60

34.4 16.79 45 28.57 93.4 207.90

Tabla 1