DISEÑO DE SISTEMA DE

AIRE ACONDICIONAD

O

UNIVERSIDAD DE LOS ANDESFACULTAD DE INGENIERIA

ESCUELA DE INGENIERIA MECANICADEPARTAMENTO DE CIENCIAS TERMICAS

Autores:Albornoz Beyker

Briceño Bernardo

Mérida, Febrero 2011

Diseño de aires acondicionados

En la siguiente propuesta se diseña el sistema de aire acondicionado para un centro comercial de treinta locales, cada local tiene un uso predeterminado, las cargas serán estimadas según lo previsto en los principios de cálculo de la ASHRAE. Se selecciona los equipos en base a las cargas totales que registren cada uno y se presentara una propuesta de diseño del sistema de aire para cada local. Para esta selección se hará uso de catálogos de una casa de diseño de equipos de aire comerciales. Ser realiza el diseño de los ductos de suministro y retorno mediante el criterio de igual fricción.

Condiciones ambientales del centro comercial.

Entidad

Federal Capital

LN. LO.

T_dise

ño

(BS)

T_dise

ño

(BH)

Rang

o

diario

(º ' ") (º ' ") ºF ºF ºF

Guárico

San Juan

de los

Morros

09º

54'

02"

67º 22'

11" 89,00 81,00

29,0

0

Condiciones atmosféricas

Altitud 1000 msnm

Temperatura exterior (BS) 89°F

Humedad relativa exterior 70%

Granos de humedad exterior 144

T rocío exterior 77ºF

Condiciones internas del local

Temperatura del local 74ºF

Granos de humedad interior 64

Se tiene previsto que los equipos a usar serán equipos de agua fría de baja capacidad (Fan coil), y el sistema de ductos de sección rectangular acero galvanizado. Se desea mantener la altura de los ductos para que el cielo raso sea uniforme dentro de cada local, y se produzcan menos perdidas de presión en cada uno de los accesorios instalados en el sistema de ductería.

Se debe determinar la carga térmica en cada uno de los locales para proceder a la selección de las manejadoras de aire, la ductería, los difusores y rejillas, los equipos y las tuberías de agua helada.

Se realizará un ejemplo de calculo de los calores para un local, para ilustrar el procedimiento de determinación de la carga térmica.

1- Cálculo del primer calor por radiación a través de vidrios con el exterior.

Orientación: Este. Hora de Diseño: 8amqrpico=.164, A vidrio = 303.54 ft2 ,Fa= 0.71, Fb=

0.56

Calor 1 (8am)= 35344.4305

Esto es para las 8 am se hace el mismo procedimiento tanto para las demás orientaciones como las demás horas y se suman los calores de todas las orientaciones para la misma hora, se selecciona aquel que represente la mayor carga y esa será nuestra hora de diseño.

SArpicoVIDRIO FFqAQ 1

Este valor de Q1 debe ser corregido por los siguientes factores:

Calor 1 (8am)= 24099.95

2.- Calor 2. Calor por conducción, convección y radiación por paredes y techo en el exterior.

Para el cálculo del calor 2 al igual se debe considerar cada orientación pero para la hora de diseño establecida. En el ejemplo anterior la hora de diseño del local 1 es las 8 am. Para dicha hora de diseño se calcula para las orientaciones donde el sol este aplicado (Norte, Sur y Este para el local 1) luego se suma el calor de cada orientación y este será nuestro Calor 2 total del local.

Factor de altura 1,021

Marco metálico 1,17

por punto de rocío exterior 0,93

por sombra contaminante 1

esolextextsombra tUATTUAQ )(2

Área Pared 451,118

Hora diseño 8am

Peso ambiente 247,4583642

Δte 20,746

Text-Tint 15

Rango diario 28ºF

Δte corregido x rango diario

16,746

Δtem 16,746

Rm 164

Rs 164

Δtes -4

Δte corregido x latitud

16,746

U 0,32

Calor 2 2417,415049

Para una orientación determinada, por ejemplo Este, tenemos los siguientes parámetros:

Se determina el calor 2 para cada una de las orientaciones, y el total será la suma algebraica de los valores obtenidos

En este caso,

Calor 2 = 2167.65

3.- Calor 3. Calor por conducción y convección en vidrios.

)(3 INTEXTVIDRIO TTAUQ Se calcula el área de vidrio total para cada uno de los locales, y la diferencia de temperatura entre el exterior y el interior del local, así como el coeficiente de transferencia de calor U. Tenemos:

Área de vidrio ft 2

Local 1

Este 303,54

Oeste 0,00

Norte 321,33

Sur 0,00

Total 624,87

U 0.54

Text 89.00

Tint 74

Calor 3 = 5061.46

4.- Calor 4. Calor por tabiques, particiones, techo y piso.

Para el local 1 podemos determinar dos aéreas de tabique la del piso que separa el piso superior del inferior del local y la que se corresponde con las paredes de los baños. Se suman ambos resultados para calcular el calor 4.

)5(4 INTEXTp TTAUQ

U techo 0,21

U paredes 0,32

Text ºF 89

Tint ºF 74

T baños ºF 80

T otro local ºF 79

Calor 4 = 7.20

5.- Calor por ventilación e infiltración Calor 5.

En caso de presurizar siempre se introduce aire exterior a través del equipo de aire acondicionado. Este aire entra en condiciones exteriores, por lo tanto, es necesario tomar en cuenta el contenido de calor en el.

Para el calculo de el calor 5, se hace uso de las siguientes ecuaciones:

Donde: Te: temperatura exterior de diseño (ºF).Ti: temperatura interior de diseño (ºF).We: Humedad especifica exterior, en granos de humedad en libra de aire seco (gr/lb).Wi: Humedad especifica interior, en granos de humedad en libra de aire seco (gr/lb).CFMi= caudal de aire exterior a introducir, en pies3/min.

Las humedades especificas pueden ser leídas en el diagrama psicométrico con los puntos exteriores e interiores.

Se determina en primer lugar los CFM por persona que por norma se deben introducir en el local.

)(1,1_5 ieiSENSIBLE TTCFMQ )(68,0_5 ieiLATENTE wwCFMQ

Se determinan los CFM dependiendo de el uso y la actividad de las personas que se encuentran dentro del local, tenemos de esta manera:

Tenemos entonces, el valor de Calor 5 sensible y latente para el local 1:

6.- Calor por personas Calor 6.

Las personas emiten calor de acuerdo a la actividad que realizan. Este calor se encuentra en la tabla Nº 48 dependiendo de la actividad, el uso de aplicaciones y la temperatura interior de diseño.

Local 1

Cantidad de personas 15.00

CFM por persona 30.00

CFM TOTAL 450.00

Uso Discoteca

Text 89

Tint 74

We 144

Wi 64

Local 1

Calor 5 sensible 7425.00

Calor 5 latente 24480.00

1_6 FNQ SENSIBLE

El calor 6 se calcula dependiendo del numero de personas y su actividad de acuerdo a las siguientes ecuaciones:

Donde:N: Es el número estimado de personas en el ambiente térmico.F1: Factor leído de la tabla Nº 48 (sensible)F2: Factor leído de la tabla Nº 48 (latente)

Tenemos entonces:

2_6 FNQ LATENTE

Local 1

Calor 6 sensible 4875

Calor 6 latente 7875

F1 325

F2 525

7.- Calor por luces Calor 7.

Las luces también son una fuente importante de calor, pueden existir luces fluorescentes o incandescentes.Fluorescentes:

Incandescentes:

Donde:Nw: Es el número total de vatios de iluminación, bien sea incandescente o fluorescente.

Tenemos entonces:

4,325,1_7 NwQ SENSIBLE

4,3_7 NwQ SENSIBLE

Local 1

Calor 7 sensible 2040

Nw 480

8.- Calor por Equipos Calor 8. Las tablas Nº 50, 51 y 52 dan calores de algunos de los equipos más comúnmente encontrados.

La tabla Nº 53 da valores para motores eléctricos, dependiendo de los BHP y de la localización del motor eléctrico y la maquina que mueve. Esta localización es con respecto al espacio o ambiente térmico a acondicionar. La primera columna es cuando todo el conjunto está dentro del ambiente térmico. La segunda columna es cuando el motor está afuera y la maquina que mueve adentro.

La tercera columna es para motor adentro y maquina afuera del ambiente térmico.

Local 1

Calor 8 sensible 10500

Calor 8 latente 0

9.- Calor por ductos y ventilador del equipo de aire acondicionado. Calor 9. Por fugas en los ductos se toma un 5% del RSH (calor sensible del ambiente) de y del RLH (calor latente del ambiente). Por recorrido de ductos de suministro y retorno se escoge la longitud más larga para el ducto de suministro y retorno, para entrar al grafico Nº3 con el RSH y la longitud, leyendo en el eje vertical el porcentaje que hay que aplicarle al RSH dependiendo de cómo estará aislado térmicamente el ducto, ya que existe varias coordenadas verticales. Por el ventilador del equipo de aire acondicionado se encuentra con el porcentaje del RSH de la tabla Nº 59 Central Station System, para equipos Split y el Unitary para equipos compactos. Por lo general se trata de un diferencial de temperatura con respecto a la del ambiente de unos 20ºF.

Local 1

Por fugas sensible 2437.57

Por fugas latente 393.75

Por ductos 1218.79

Por ventilador 1901.31

Local 1

RSH 48751.48

RLH 7875.00

OASH 7425.00

OALH 24480.00

BF 0.10

ERSH 55051.65

ERLH 10716.75

ERTH 65768.40

TSH 61734.15

TLH 32748.75

GTLH 94482.90

ESHF 0.84

RSHF 0.86

GSHF 0.65

Tadp 40.00

PCM 1635.52

Ten 78.13

Tis 43.81

Obtenemos los valores de Psicrometría. Con estos valores procedemos entonces a la escogencia de los equipos y el diseño de los ductos cuya distribución se muestran en los planos anexos en el CD. El método de cálculo de los ductos debido a su laboriosidad no se muestra, solamente se dan en el presente proyecto los resultados resumidos en una tabla contentiva de los siguientes datos en concordancia con los cálculos antes presentados.

Para la selección de los ductos, se utiliza el valor del GTLH y los PCM necesarios.

Procedemos a ilustrar los ductos seleccionados.

En el caso especifico de los locales de el 1er piso, por existir una mezzanina, dividimos la carga térmica y los PCM en dos partes iguales y se utilizaran dos equipos localizados uno en cada piso.

La selección del aparato se dará en función de lo siguiente:

•Capacidad de enfriamiento (GHT).•Condiciones de entrada al serpentín (temperatura de entrada de bulbo seco y húmedo).•Condiciones de salida del serpentín (temperatura de salida de bulbo seco y húmedo).•Temperatura de rocío del aparato (TADP).•Aire suministrado por el aparato ( ).•Calor sensible total (TSH)•Calor latente total (TLH).•Condiciones exteriores (temperatura de bulbo seco y humedad)

Tenemos entonces la selección de los equipos para cada uno de los locales.

LOCAL 1

GTLH 94482.90

PCM 1635.52

GPM 18.90

m3/h 2777.12

CFM TOTAL PERDIDO 450.00

CFM A RECIRCULAR 1185.52

Cantidad de equipos 2x

EQUIPO 42BQA055A510HDC

CALOR TOTAL 50880.00

PCM 1310.00

L/S 0.39

GPM 6.18

VELOCIDAD ft/min 900.00

La selección de los ductos para cada uno de los locales, se realiza siguiendo el método de igual fricción, y es función del caudal y la velocidad del aire. Con estos valores se elige un diámetro equivalente, y en función de éste, se obtienen las dimensiones de un ducto rectangular. Para ilustrar este procedimiento, se presenta la siguiente tabla resumen de la selección de ductos de suministro.

SECCION CAUDAL F VELOCIDAD Deq AxB

AB 1100 0,075 900 15 26x8

BC 300 0,075 650 9,3 9x8

CD 150 0,075 540 7,2 6x8

BE 800 0,075 800 13,5 20x8

EF 500 0,075 720 4 14x8

FG 250 0,075 600 9,7 10x8

EH 300 0,075 650 9,3 9x8

HI 150 0,075 540 7,2 6x8

Se realiza luego la selección de los difusores y rejillas, en función del caudal, la velocidad y el tiro de aire, para lograr que no exista ruido por una velocidad excesiva en el difusor, y toda la superficie del local a acondicionar sea abarcada por el tiro del difusor.

Los equipos seleccionados, son Fan Coils de la marca Carrier, elegidos de acuerdo al manual del fabricante, para satisfacer los parámetros de diseño. Debe considerarse que el ventilador de la UMA sea capaz de vencer las perdidas de presión en ductos y accesorios del sistema.

Se muestra a continuación, un resumen de los difusores y rejillas escogidas con su nomenclatura, dimensiones y distribuidas por cada uno de los pisos del centro comercial.Difusores PB MEZZ 1er 2do

DF4VCC 6¨X6¨ 16 16 40

DF4VCC 8¨X8¨ 8 8 10 16

DF4VCC 10¨X10¨ 2 12

Rejillas PB MEZZ 1er 2do

RG 6¨x6¨ 8 8 34 8

RG 8¨x8¨

RG 10¨x10¨ 4

RG 13¨x13¨ 2 2

RG 10¨x6¨ 2 4

RG 14¨x6¨ 16 16

RG 18¨X10¨ 4

RG 22¨X6¨ 8

RG 12¨X10¨ 8

RG 6¨X20¨ 8

RESUMEN EQUIPOS SELECCIONADOSEquipos Carrier PB MEZZ 1er 2do

42BQA055A510HDC 2 2 2

42BQA012A510HDC 8 8 8

42BQA044A510HDC 4

42BQA018A510HDC 8

Una vez seleccionados los equipos, se procede a diseñar el sistema de agua helada. Para esto se debe seleccionar el chiller, el sistema de tuberías de suministro y retorno, y la bomba.

El chiller se selecciona considerando la carga térmica del centro comercial, considerándolo como un solo local. De esta manera, se tendrá un chiller que pueda suministrar a cada una de las UMAs el agua necesaria para extraer la cantidad de calor requerida por cada uno de los locales.

El sistema de tuberías de suministro y retorno, debe cumplir que el sistema se encuentre balanceado. Esto se logra utilizando un sistema de retorno inverso, donde todo el recorrido del agua helada hacia y desde cada una de las UMAs es equivalente.

Finalmente, la bomba debe seleccionarse de manera que pueda vencer las perdidas de presión generadas por el roce en tuberías en tramos rectos, los accesorios del sistema, (codos, Tees, válvulas) y los instrumentos de medición (Termómetros, Manómetros)

La elección del Chiller, se realiza como se dijo anteriormente, considerando el centro comercial como 1 solo local. Tenemos que la carga termina necesaria en este caso es:

Para 61,06 toneladas de refrigeración y un GPM de 146.55 tenemos en la selección de un equipo marca Carrier:

GTLH 732755.29

PCM 14817.759

GPM 146.55Tr 61.06

Seleccionamos entonces un equipo, siguiendo las especificaciones del fabricante.

Para un tamaño nominal de 070Voltaje de 220Coraza de aluminio y tuberías de CobreBomba dual de 5Hp (calculada posteriormente. Debe considerarse una bomba dual por seguridad en caso de fallas con la bomba primaria)Filtros, enfriador integrado y dispositivos de seguridad anti-congelamientoVálvulas en la succión y descarga, válvulas de servicio, reguladores de presión atmosférica y control de carga mínimaConexión de corriente dual con fusibles en caso de sobrecarga o bajas de tensiónPuertos de servicio remoto

Tenemos entonces la nomenclatura que define el Chiller seleccionado marca Carrier:

30RB A 070 5 - 7 S G C 2 L

Se realiza la distribución de las tuberías tanto de suministro como de retorno para cada uno de los pisos y para las UMAs de cada uno de los locales.

Para una distribución de retorno inverso, mostrado en los planos en AutoCAD contenidos en el CD. Debemos hallar la perdida de presión que se presenta en las tuberías del tramo mas critico.

Estas perdidas consideran: perdidas por fricción en tramo recto de tubería y perdidas por accesorios de la ruta critica.

Con el caudal de diseño y la velocidad máxima sugerida para cada uno de los tramos, se halla el diámetro nominal de la tubería por cada 100 pies, y con la longitud podemos hallar las perdidas para cada tramo.

Se debe tratar de tener la menor cantidad de reducciones y ampliaciones posibles en la tubería, siempre manteniéndose dentro de un rango de velocidades permitidas.

A continuación se muestra una tabla resumen de las perdidas en cada tramo de la ruta critica de las tuberías de agua helada.

Velocidades recomendadas del agua

Servicio o aplicación Velocidad (pies/s) Velocidad (m/s) Descarga de la Bomba 8-12 2,4-3,6 Aspiración de la bomba. 4-7 1,2-2,1 Línea o tubería de desagüe 4-7 1,2-2,1 Colector o tubería principal 4-15 1,2-4,5 Montante o tubo ascendente

3-10 1,0-3

Servicio general. 5-10 1,5-3 Suministro de agua de ciudad

3-7 1,0-2,1

SECCIÓN

CAUDAL DE DISEÑO

(GPM)

V (pies/seg) DN (") LTR (m)

LTR (pies)

LTA (pies)

LTE (PIES)

f (pies H2O) /100 pies

long)Caída de fricción (pies

H2O) Tramo0-1 160.74 8.00 3 2.30 7.55 12.5 20.05 7 1.4032088 chiller a mezz1-2 126.81 5.50 3 3.35 10.99 5 15.99 3.5 0.5596738 mezz a 1ero2-3 92.88 4.00 3 3.30 10.83 5 15.83 1.9 0.30070616 1ero a 2ndo3-4 58.96 6.00 2 3.25 10.66 5 15.66 7 1.096382 2ndo a 3ero4-5 58.96 6.00 2 3.45 11.32 7.5 18.82 7 1.3173132 local 21 -15-6 53.41 6.00 2 3.25 10.66 8.3 18.96 7 1.327382 local 21 -26-7 47.86 4.50 2 4.78 15.68 3.3 18.98 3.5 0.66437784 local 227-8 43.26 4.30 2 6.00 19.68 3.3 22.98 3.5 0.804468 local 238-9 38.66 5.50 1 1/2 6.00 19.68 4.7 24.38 7 1.706936 local 24

9-10 34.06 5.50 1 1/2 6.00 19.68 2.6 22.28 7 1.559936 local 2510-11 29.46 4.70 1 1/2 12.58 41.27 3.7 44.97 5.8 2.60840291 local 2611-12 24.86 5.50 1 1/4 6.00 19.68 2.3 21.98 9 1.978632 local 2712-13 20.26 4.70 1 1/4 6.00 19.68 2.3 21.98 7 1.538936 local 2813-14 15.66 3.50 1 1/4 6.00 19.68 2.3 21.98 4 0.879392 local 2914-15 11.06 4.00 1 4.78 15.68 1.7 17.38 6 1.04293344 local 30-115-16 5.56 3.50 3/4 3.24 10.63 2.6 13.23 7 0.92608544 local 30-216-17 5.56 3.50 3/4 2.80 9.19 2.6 11.79 7 0.8250368 al fan coil17-18 5.56 3.50 3/4 2.82 9.25 2.6 11.85 7 0.82962992 fan coil al retorno29-30 58.96 6.00 2 3.25 10.66 5 15.66 7 1.096382 3ero al 2ndo30-31 92.88 4.00 3 3.30 10.83 5 15.83 1.9 0.30070616 2ndo al 1ero31-32 126.81 5.50 3 3.35 10.99 5 15.99 3.5 0.5596738 1ero a mezz32-33 160.74 8.00 3 2.30 7.55 5 12.55 7 0.8782088 mezz a bomba

Válvulas UMA 38 38.00 7 2.66 Válvulas Chiller 201 201.00 7 14.07

Válvulas bomba 93 93.00 7 6.51 CHILLER 160.74 - - 11.7

UMA-alejada 5.56 - - 3.70 12.13896

Caída de presión Total

(pies H2O) 71.2833631

Una vez que conocemos las perdidas de presión en la ruta critica de la tubería, podemos seleccionar la bomba necesaria para vencer esta perdida de presión, y manejar el caudal necesario para surtir las UMAs.

Tenemos de la tabla anterior, los parámetros de diseño para la bomba:

Gpm bomba : 160.74Delta P bomba : 71.28Eficiencia de la bomba: 60%

Necesitamos entonces una bomba de 5HP para cubrir los requerimientos de GPM y vencer la caída de presión en las tuberías.

Bomba

BombaBombaBomba

PgpmBHP

396060,0Bomba

80.4BombaBHP

Los accesorios considerados en cada una de las UMAs, el chiller y la bomba, son como se muestran a continuación:

Detalle de conexión de la UMA

Detalle de conexión de la UMA

VG

TM

CHILLER

S

VC

VC

RM T

VG

Detalle de conexión de la BOMBA

BYPASS

UMAR

S

VM

VC

F

VC

VC

M

MVC

VCFI

VR

BOMBA

Un tanque de expansión es usado para mantener constante la presión en el sistema permitiendo que el agua se expanda cuando su temperatura se incrementa y además que provee un método para adicionar agua al sistema. Debe estar situado en el lado de aspiración de la bomba y aun nivel superior que la bomba mas alta.

En este caso el menor valor es el volumen de los Fan coil que multiplicado por el 9 por ciento de seguridad arroja un resultado de volumen para el tanque de expansión de:Volumen tanque expansión > 2,73.10-3m3.

Para el sistema considerado, el volumen del tanque de expansión es el menor de los volúmenes calculados para la tubería, serpentines tanto del Fan coil como de el Chiller: