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AIRE ACONDICIONADO 1 Ao 2012

Confort Trmico

Recopilacin y digitalizacin: Arqts Anala Walter-Cristina Pavn

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CONFORT TERMICO

Definicin de confort y confort trmico

Definimos confort como la situacin de bienestar del hombre y el confort trmico al estado mental que encuentra satisfaccin con el ambiente trmico que nos rodea.

El hombre como mquina trmica

El hombre es en realidad una fuente de calor para el espacio que lo rodea. El cuerpo humano debe ceder calor debido a su metabolismo.

El calor se produce constantemente en el interior de todo ser viviente por oxidacin de los alimentos, para mantener al cuerpo a una temperatura constante de 37C aproximadamente en el caso del ser humano. Este mantenimiento de equilibrio homeotrmico se efecta por procesos de autorregulacin gobernados por el sistema nervioso. En cuanto a la eliminacin del calor el cuerpo humano las realiza de las siguientes maneras:

Conduccin, a travs de la piel y los vestidos del individuo.

Conveccin, se produce la transferencia del calor de la periferia del cuerpo al aire ms fro que lo envuelve.

Radiacin, el cuerpo emite calor a las superficies fras que rodean al mismo.

Evaporacin, por la exudacin de la piel y una pequea parte por la humedad del aire de respiracin.

Se puede buscar otra imagen que est en colores o ms simptica

Cuando el cuerpo se halla en reposo, la velocidad con que se desarrolla el metabolismo es mnima, pero cuando se efecta un trabajo externo, aumenta notablemente.

En la tabla 1 se desglosa la disipacin de calor del cuerpo humano en reposo a una temperatura ambiente de 20C.:

Las dos formas de transmisin del calor del cuerpo al ambiente, el sensible y el latente se compensan entre s de tal manera que su suma permanece constante.

Por ejemplo, si la temperatura del aire ambiente baja, al calor cedido por conveccin, radiacin y conduccin aumenta, disminuyendo el calor cedido por evaporacin.

Factores que influyen en la sensacin de confort

Para la sensacin de confort no hay valores absolutos, ya que con las mismas condiciones varia la sensacin para cada individuo en particular, pero puede decirse que en el confort trmico influyen los siguientes factores:

Ambientales:

1. Temperatura del aire.

2. Humedad del aire.

3. Velocidad del aire.

4. Temperatura de las superficies de cierre del ambiente.

Individuales:

1. Actividad del individuo.

2. Vestimenta del individuo.

Otros: edad, sexo, estado de salud, costumbres como por ejemplo tipo de alimentacin.

Tabla 1 Transmisin de calor

Tipo Camino

Calor seco o sensible Qs = 79%

Radiacin 46% Conduccin y conveccin 33%

A travs de la piel 88%

Calor hmedo o latente Qv = 21%

Evaporacin de agua 19% Respiracin 2%

A travs del pulmn 12%

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Diagrama de confort

El ASHRAE (American Society of Heating Refrigerating and Air Conditioning Engineers) ha realizado extensas experimentaciones para determinar la temperatura, la humedad relativa y las condiciones de movimiento de aire para establecer el confort optimo.

En el diagrama podemos encontrar las condiciones de confort de verano y las de invierno.

GRAFICO CARTA DE CONFORT PARA

AIRE EN REPOSO

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GRAFICO ASHRAE PSYCHROMETRIC CHART

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Temperaturas efectivas

Un idntico grado de confort puede ser introducido con diferentes combinaciones de los tres parmetros considerados. Con una velocidad de aire constante, diferentes combinaciones de humedad relativa y temperatura de bulbo seco pueden producir la misma sensacin de confort. Estas combinaciones se llaman temperaturas efectivas.

RESUMEN

Calor: es una forma de energa provocada por el movimiento de las molculas de un cuerpo.

Es susceptible de medirse teniendo en cuenta dos magnitudes fundamentales:

1. Intensidad de calor

2. Cantidad de calor

1. Intensidad de calor:

Est relacionada con la velocidad del movimiento molecular.

Se dice que un cuerpo con gran velocidad molecular tiene ms nivel de calor o temperatura que otro.

Para medir la intensidad de calor se usa una unidad prctica que da una idea del grado o nivel de calor que tiene un cuerpo. Arbitrariamente se fijan parmetros comparativos que permiten determinar dicho nivel de calor al que se denomina temperatura.( segn los libros de fsica la temperatura no es una magnitud por lo tanto no se puede medir como una cantidad sino que se miden las variaciones de temperatura)

Las escalas mas comunes son las siguientes:

Centgrado o Celsius

Fahrenheit

Temperatura absoluta

2. Cantidad de calor:

La cantidad de calor de un cuerpo representa la suma de las energas trmicas de todas las molculas que lo componen.

La cantidad de calor de un cuerpo es en funcin de la masa del cuerpo.

Para determinar la cantidad de calor se ha establecido un valor caracterstico que depende de las particularidades de cada cuerpo que se denomina calor especfico.

Calor especfico es la cantidad de calor necesaria para elevar en 1C la temperatura de la unidad de masa de una sustancia.

El calor especfico si bien depende de la temperatura en forma muy leve puede suponerse constante para cada sustancia en particular a los fines de su aplicacin prctica.

Como unidad se utiliza el agua a presin atmosfrica normal, considerndose una temperatura normal de 15C que esta dentro del entorno de las aplicaciones practicas.

De esa manera el CE = 1 sera la cantidad de calor necesaria para elevar la temperatura de 1 kg de agua en 1C (de 14,5C a 15,5C) a presin atmosfrica normal.

A esa cantidad de calor se la denomina kilocalora (kcal) y sera entonces la unidad de cantidad de calor.

Kilocalora: cantidad de calor necesaria para elevar la temperatura de 1 kg de agua en 1C (de 14,5C a 15,5C) a presin atmosfrica normal.

MATERIAL CE = kcal/kg x C MATERIAL CE = kcal/kg x C

Agua 1 Hielo 0,50

Aire seco 0,24 Aluminio 0,22

Vapor 0,48 Mercurio 0,03

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Calor sensible y calor latente

Calor sensible: es el calor que se manifiesta a travs de una modificacin de la temperatura de una sustancia. CE = Calor especifico

m = masa

t = diferencia de temperatura

Ejemplo: Para calentar 1 kg de agua de 10C a 100C que cantidad de calor se necesita?

QS = 1 kcal/kg C x 1 kg x (100C 10C) = 90 kcal

Calor latente: es el calor que se manifiesta a travs de un cambio total del estado fsico de una sustancia. Por ejemplo, si se tiene agua en ebullicin, durante todo el proceso que esta dura, la temperatura se mantiene constante en 100C y el calor que se agrega es utilizado en el cambio de estado. Todo cambio de estado se realiza mediante una absorcin o una cesin de calor.

L = calor latente de vaporizacin o fusin segn el cambio fsico producido.

m = masa

Para agua a 100C L = 539 kcal/kg

Para hielo L = 80 kcal/kg

Ejemplo: Para vaporizar 1 kg de agua a 100C que cantidad de calor latente se necesita?

QL = 539 kcal/kg x 1 kg = 539 kcal

Propiedades del aire. Para vivir necesitamos estar constantemente rodeados de aire y nuestros pulmones necesitan alrededor de 10000 litros diarios, esto hace que el aire atmosfrico ocupe un lugar importante entre los factores que ms directamente influyen en la vida sana del hombre. Por lo cual es necesario mantener el aire que se respira en condiciones inmejorables de pureza a fin de obtener un bienestar en el trabajo como en el reposo.

El aire atmosfrico es una mezcla de aire seco y vapor de agua, a su vez el aire seco est constituido fundamentalmente por:

78% nitrgeno 78%

21 5 oxigeno 21%, y el

1% restante los componen el anhdrido carbnico, argn, nen.

La cantidad de vapor de agua en el aire es variable y es lo que constituye la humedad, esta tiene gran importancia en el bienestar humano y para el desarrollo de gran nmero de procesos industriales.

Psicrometra

La psicrometra es una ciencia que estudia las propiedades del aire hmedo (aire seco + vapor de agua).

El aire seco absorbe humedad, este valor es mayor cuando est caliente que cuando est fro.

El aire hmedo tiene caractersticas variables que se vuelcan en el diagrama psicromtrico y que nos permite, conociendo dos de ellos, averiguar los restantes.

Los parmetros son los siguientes:

1. TEMPERATURA DE BULBO SECO TBS C

2. TEMPERATURA DE BULBO HUMEDO TBH C

3. TEMPERATURA DE PUNTO DE ROCIO TR a/c

4. HUMEDAD ESPECIFICA O ABSOLUTA Ha o He gr/kg

5. HUMEDAD RELATIVA HR %

6. VOLUMEN ESPECIFICO Ve m3/kg

7. ENTALPIA H o E kcal/kg

8. FACTOR DE CALOR SENSIBLE FCS

QS = CE (kcal/kg C) x m (kg) x t (C)

QL = L (kcal/kg) x m (kg)

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Ejemplo de uso del diagrama psicromtrico

Hay propiedades del aire hmedo que son fciles de medir (TBS y TBH), otras no lo son tantos y en consecuencia el diagrama psicromtrico toma una importancia fundamental ya que conociendo dos parmetros, puedo obtener los dems.

Supngase que con un psicromtrico de revoleo se lee:

TBS = 35,0 C

TBH = 24,5 C

Se lee en el baco psicromtrico:

Transformaciones de la condicin del aire

Los procesos de acondicionamiento del aire modifican su condicin. Los ms importantes son:

1. Enfriamiento

2. Calentamiento

3. Humidificacin

4. Deshumidificacin

5. Enfriamiento y humidificacin

6. Calentamiento y humidificacin

7. Calentamiento y deshumidificacin

8. Enfriamiento y deshumidificacin

Para realizar cualquiera de estos procesos, deber instalarse en los equipos de aire acondicionado, dispositivos que provoquen el fenmeno en cada caso.

1. Enfriamiento: por medio de serpentinas de expansin directa o indirecta.

2. Calentamiento: por medio de calefactores elctricos, calefactores a gas, o serpentinas de agua caliente.

3. Humidificacin: por medio de bateas humidificadoras, lavadores de aire, etc.

4. Deshumidificacin: por medio de secadores qumicos (silicagel).

a) Enfriamiento del aire

Al enfriar el aire, disminuye su temperatura de bulbo seco y como no se le agrega o extrae humedad, la humedad especfica se mantiene constante. Se observa, sin embargo, que mientras la temperatura de bulbo seco disminuye, aumenta progresivamente la humedad relativa.

b) Enfriamiento y deshumectacin del aire

Se deduce del ejemplo anterior que a medida que el aire se enfra, su humedad relativa aumenta si bien se mantiene constante la humedad especfica.

Se observa del ejemplo realizado que la HR aument del 40% al 71% al enfriar el aire de 35C a 25C. La HR mxima de un local para que este dentro de las condiciones de confort, se estima en un 70%, hecho que si no se cumple, provoca una sensacin de pesadez adems de disminuir la posibilidad de eliminacin de calor corporal por evaporacin.

El proceso de deshumectacin, se realiza en forma simultnea con el enfriamiento en la batera de refrigeracin, hacindola trabajar por debajo del punto de roco del aire por tratar.

He = 15,3 gr/kg

HR = 43%

TPR = 20,3 C

Ve = 0,895 m3/kg

Ht = 17,9 kcal/kg

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Mediante el baco psicromtrico puede explicarse como se produce la deshumectacin con un equipo de refrigeracin.

Si se tiene una mezcla de aire seco y vapor de agua y se lo enfra, o sea se disminuye la temperatura, se quita calor sensible. Al no modificarse la humedad especfica, la evolucin se produce hacia la izquierda segn la recta de humedad especifica constante. El proceso sigue hasta que se produce la saturacin o sea se llega al punto de roco. Si se sigue enfriando, el proceso sigue la curva de saturacin, producindose la condensacin del vapor de agua, disminuyendo de esa manera la humedad especifica del aire. El agua de condensacin del vapor se aire debe ser recogida en bandejas de recoleccin.

Verificacin del clculo mediante el uso del diagrama psicomtrico

Caudal: para este clculo nos va a interesar las cargas comprendidas en el tramo que va de la serpentina del equipo hasta la reja de retorno. Es decir que para el clculo del caudal de aire se va a considerar todas las cargas del ambiente y no se va a incluir la ganancia por aire exterior.

Entonces: donde:

C = caudal m

3/h

Qsi = calor sensible del interior (watts)

0,337 = calor especifico (0,24 kcal/kgC) por peso especifico (1,12 kg/m

3) / 0,86 kcal/watts

tint = temperatura del ambiente generalmente 25C

tiny = temperatura de inyeccin en C

Si la temperatura de inyeccin es baja, vemos que necesitamos menos caudal de aire, pero no podemos bajarla demasiado porque se producira disconfort.

ACLARACION: la ganancia de aire exterior no se considera para el clculo de caudal porque necesito primero obtener el caudal de aire de inyeccin para recin despus obtener el caudal de aire exterior considerando un 20% del caudal de inyeccin. Si por alguna razn calculo el caudal de aire incluyendo la ganancia de aire exterior, debo considerar en la frmula de caudal la diferencia de temperatura entre el punto de mezcla y la temperatura de inyeccin.

Factor de calor sensible:

Para obtener la recta de enfriamiento:

a- Calculo del FCS sin considerar el aire exterior

b- Uno el FCS con el punto que viene resaltado en el diagramo (polo)

Qsi C = ---------------------- 0,337 (tint-tiny)

Qs FCS = ------------------ Qs + Ql

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UBICACION DE LOS PUNTOS I Y E

Con los valores de temperatura de bulbo seco y humedad relativa, ubico los puntos del interior (25C y 50% HR) y del exterior (35C y 40% HR).

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DETERMINACION DEL PUNTO C DE LA SEPERTINA

a- Trazo por el punto de ambiente (25C y 50% HR) una paralela a esa recta de FCS.

b- Ubico el punto de inyeccin C en la interseccin de esa recta con el 90% de HR.

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El punto C siempre est cerca del 90% de HR, porque la serpentina enfra de la siguiente manera: primero quita calor sensible al aire, avanzando en forma horizontal hacia la izquierda, vemos que no se modifica en principio, la humedad absoluta. El proceso contina hasta que se produce la saturacin, o sea, se llega al punto de roco. Al seguir enfriando, el proceso sigue la curva de saturacin, producindose la condensacin del vapor del agua, modificndose ahora la humedad especifica. El agua de condensacin del vapor de aire debe ser recogida en bandejas de recoleccin y mediante una caera de desage cloacal, evacuada a la red.

El fabricante de los equipos de aire acondicionado, nos brinda la lnea de enfriamiento del equipo, el cual generalmente comienza a condensar antes del 100% por eso ubicamos el punto I en el 90% de humedad relativa.

La evolucin de la recta CI, nos indica la forma en que se comporta el aire luego de ser inyectado al local, es decir, comienza a absorber calor sensible y calor latente pero en una nica y determinada proporcin, aquella que nos fija el FCS. El aire luego de absorber calor sensible y calor latente del local, sale del mismo regresando a la cmara de mezcla y comenzando nuevamente el ciclo.

DETERMINACION DEL PUNTO DE MEZCLA M

El punto M (mezcla), est en la recta que une el punto ambiente (25C y 50% HR) con el punto del exterior (35C y 40% HR). Segn el porcentaje de aire exterior ser su ubicacin en la recta, siempre est mas cerca del punto que corresponde al mayor porcentaje de aire (por ejemplo: si tengo 85% de aire de retorno, el punto M estar mas cerca del punto A que del E).

Si trazo una recta que una al punto M con el punto I, esta recta tendr un FCS que puedo calcular. Esto lo hago considerando en la frmula del FCS las ganancias de calor sensible y latente que incluyan el aire exterior.

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El siguiente esquema de un corte nos permite visualizar donde se encuentran en la realidad los puntos mencionados:

No conviene que haya ms de 10C de diferencia de temperatura entre la inyeccin y el ambiente por razones arriba mencionadas.

Si el punto C da por debajo de los 15C, se deber enfriar hasta llegar al 90% de HR pero luego habr que tener que calentar a humedad absoluta constante, hasta llegar a 15C. En este caso no se lograrar en el interior una humedad del 50% sino que va a ser ms alta y obtengo C.

Para saber que humedad vamos a tener en el ambiente cuando enfre de M a C se har lo siguiente en el diagrama:

1. Desde el punto C (que est en los 15C en este caso), subo a TBS constante hasta chocar con la curva de enfriamiento del equipo y obtengo un punto.

2. Por el punto que se determin en el paso anterior, trazo una paralela a la recta de FSC hasta cortar la temperatura del ambiente (25C) y ah veo en ese punto que HR (humedad relativa) tengo.

Para calcular el calor a entregar por el subenfriamiento, despejo Qs (calor sensible) de la frmula de C (caudal).

Entonces:

Qs = 0,337 C (tiny - tc)

donde:

Qs = calor sensible a entregar (watts)

0,337 = calor especifico (0,24 kcal/kgC) por peso especifico (1,12 kg/m3) / 0,86 kcal/watts

C = caudal m3/h

tiny = temperatura de inyeccin en C (no menos de 15)

tc = temperatura que da al unir la paralela a la recta de FCS que pasa por I con 90% de HR

Clculo de la capacidad por equipo

donde:

R = potencia frigorfica (kcal/h)

C = caudal m3/h

Pe = peso especifico (1,12 kg/m3)

hm = entalpa en el punto M (kcal/kg)

hiny = entalpa en el punto C (kcal/kg)

R = C x Pe x (hm hiny)

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Frigoras/hora: es la unidad equivalente a kcal/h pero en sentido opuesto. Es la cantidad de calor que hay que extraer a una masa de 1 kg de agua para disminuir su temperatura en 1C (de 15,5C a 14,5C) a presin atmosfrica normal.

Tonelada de refrigeracin (TR): equivale a 3024 frig/h

Tonelada de refrigeracin (TR): equivale a 3517 watts

1 watts = 0,86 frig/h

1 frig/h = 1,163 watts

EN INVIERNO, como uso el mismo equipo para fro y para calor, ya tengo el caudal calculado y no lo puedo variar, entonces lo que voy a calcular es la temperatura de inyeccin. Esto lo hago despejando en la frmula de G (caudal).

Entonces:

(ta ti) = Qsa

0,337 C

donde:

ta = temperatura del ambiente generalmente 22C en invierno

ti = temperatura de inyeccin en C

Qsa = calor sensible del ambiente (watts)

0,337 = calor especifico (0,24 kcal/kgC) por peso especifico (1,12 kg/m3) / 0,86 kcal/watts

C = caudal m3/h calculado para la instalacin de verano