Capitulo i Principios de Aire Acondicionado

Capitulo 1

Principios del aire acondicionado

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PRINCIPIOS DEL AIRE ACONDICIONADO

Las caractersticas de operacin de los sistemas de aire acondicionado dentro de su mbito, podr interpretar la aplicacin en los recintos como las residencias, edificios pblicos, salones de espectculos, hoteles, grandes almacenes de ropa, supermercados, auditorios, transportes terrestres y areos, inclusive naves espaciales, y todos aquellos destinados a ocuparse por personas. El aire acondicionado tiene la finalidad de producir sensaciones de comodidad, donde los factores anteriores se mantienen en ciertos lmites requeridos. El objetivo del aire acondicionado es controlar el producto manufacturado, manteniendo una adecuada temperatura, humedad, movimiento y calidad del aire, dentro de los locales, requiriendo un estudio especial para cada caso. As tambin, no est relacionado con la comodidad de las personas, pero es necesario mantener un ambiente que evita que los operarios suden al estar trabajando. La habilidad del individuo aumenta cuando las condiciones del aire son agradables y en consecuencia tambin se reduce el nmero de errores y los rechazos de material. La temperatura del cuerpo humano depende del equilibrio entre la generacin de calor y la prdida del mismo, que resulta del metabolismo. La temperatura del cuerpo humano es mayor a la del medio ambiente de un recinto fresco o fro. Simultneamente, el cuerpo humano disipa calor constantemente por radiacin, conveccin y evaporacin; debido que, en condiciones normales la temperatura interior del cuerpo es aproximadamente de 37C, mientras que la parte exterior de su piel es de 21C, para tener la sensibilidad del proceso de fro y de calor y en caso de generar calor se equilibra con sus prdidas. En este capitulo se muestra el funcionamiento de los sistemas de aire acondicionado, las aplicaciones mas utilizadas y diversos intercambios trmicos con el medio ambiente. 1.1.- DEFINICIN DE AIRE ACONDICIONADO El aire acondicionado es la tcnica que comprende el control simultneo y continuo de los factores que afectan las condiciones fsicas y qumicas de la atmsfera dentro de cualquier recinto destinado a ocuparse por personas para fines industriales. Los factores que afectan las condiciones del medio circundante dentro de un recinto, destinado a ser ocupado por personas, stos deben controlar la forma efectiva y simultnea, para producir una sensacin de comodidad y condiciones adecuadas para la salud de los mismos.

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Por orden de importancia los factores son: 1. 2. 3. 4. 5. Temperatura Humedad Movimiento Distribucin Pureza (exenta de polvo, bacteria, olores, gases txicos).

1.1.1.- TEMPERATURA Si la temperatura del aire es menor, se incrementa el grado de conveccin, es decir, si el aire tiene menor temperatura, existe mayor disipacin de calor. Por otro lado, si la temperatura del aire es mayor, se tiene menor flujo de aire de conveccin. Por lo tanto, cuando se aproxima la temperatura ambiente a la del cuerpo humano, este pierde menos calor de conveccin, hasta llegar a una temperatura confortable en un rango de 22 a 27 C. En la conveccin, el calor fluye de una temperatura alta a una temperatura baja y cuando mayor es la diferencia de temperatura mayor es el flujo de calor. En este caso, cuando la diferencia de temperatura del aire y la del cuerpo humano es mayor, se tendr un flujo de aire mayor para la conveccin, si la diferencia es excesiva, el cuerpo humano disipa ms calor y sobreviene la incomodidad. La temperatura de superficie, que se aplica el proceso de radiacin, cerca del cuerpo afecta el grado de radiacin. Es decir, a menor temperatura de superficie exterior, mayor es la cantidad de calor radiada por el cuerpo y esta disminuye cuando su temperatura se aproxima a la superficie del cuerpo humano. Si la temperatura de superficie exterior es mayor que la del cuerpo humano, ahora el cuerpo humano absorbe calor y trata de disiparlo por medio de la conveccin y evaporacin para mantenerse confortable. 1.1.1.1.- TEMPERATURA EFECTIVA Las experimentaciones realizadas por la Sociedad Americana de Ingenieros en Calefaccin y Acondicionamiento de Aire (ASHRAE), se obtuvo la escala de Condiciones Termoequivalentes, denominadas a las condiciones de temperatura, humedad y movimiento del aire, que producen las mismas sensaciones de calor. Esta escala, no solo indica la sensacin de calor sino que, tambin determina los efectos fisiolgicos sobre el cuerpo humano producidos por el calor o el fro. Por esta razn se le llama Escala o ndice de Temperatura Efectiva, que denota un nivel sensorial de calor. La temperatura efectiva es un ndice determinado empricamente del grado de calor o de fro, percibido por individuos normales, expuestos a diferentes combinaciones de temperatura, humedad y velocidad del aire.

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El valor numrico del ndice, para ciertas condiciones del aire, se determina por m la temperatura del aire saturado con un rango de velocidad de 4.57 a 7.6 o min ft 15 a 25 , para producir la misma sensacin de calor o de fro. Esta condicin tiene min una temperatura efectiva de 15.6 C ( 60 F ) , y produce una sensacin de calor similar a la que experimenta el aire a una velocidad lenta, pero con 15.6 C ( 60 F ) , saturado de humedad. La temperatura efectiva no se mide directamente, se obtiene de las temperaturas de bulbo seco y hmedo, agregndole el movimiento del aire. Esta temperatura efectiva son lneas que representa diferentes condiciones del aire, pero produce la misma sensacin de calor. 1.1.1.2.- COMODIDAD Generalmente todos los recintos destinados a ocuparse por personas, el aire acondicionado, debe producir sensacin de comodidad y los factores mencionados anteriormente, deben mantener ciertos lmites requeridos. 1.1.1.3.- GRFICAS DE COMODIDAD. El cuerpo humano experimenta la sensacin de fro o de calor en forma conjunta, la humedad relativa, la temperatura y el movimiento del aire. No han evaluado los elementos involucrados en la reaccin del ser humano con el medio ambiente trmico. El concepto anterior de Temperatura efectiva, se utiliz como un ndice para expresar el mencionado efecto sobre el cuerpo humano. En el Laboratorio de Investigacin de la Sociedad Americana de Ingenieros en Calefaccin, Refrigeracin y Acondicionamiento de Aire (ASHRAE), se realizaron experimentos con individuos normalmente sanos, dentro de habitaciones sometidos a diferentes condiciones ambientales, al variar las temperaturas de bulbo seco y hmedo, denominada humedad relativa y el movimiento del aire. As tambin, se registraron las reacciones de comodidad de dichos individuos. La figura 1.1, muestra la carta de comodidad de la ASHRAE, para aire tranquilo. Las zonas de comodidad para invierno y verano. La zona de invierno no se utiliza en cuartos con calefaccin radiante. La aplicacin de la zona de comodidad est limitada a casas, oficinas y lugares similares, donde los ocupantes se adaptan completamente a las condiciones del aire interior. Esta zona no es aplicable a teatros, tiendas y otros lugares en donde la permanencia es menor de dos horas, que corresponden a las curvas de temperatura efectiva, obtenidas de los resultados experimentales ya mencionadas. En Investigaciones recientes de la propia ASHRAE, han demostrado que la reaccin trmica equivalente, se aproxima en forma ms estrecha por medio de las lneas equivalentes de comodidad, entre 20 a 25 C de temperatura de bulbo seco. Esta grfica muestra que la temperatura efectiva sobreestim el efecto de la humedad16

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relativa sobre la comodidad. La lnea aproximada de 23 C, nos indica comodidad. Esta lnea es sensiblemente recta a humedades relativas menores, en un intervalo de 30 a 80 %, no siendo este el caso a humedades relativas mayores, que son ms difciles para producir enfriamiento evaporativo.

Figura 1.1.- Movimiento del aire o turbulencia En experimentos recientes involucran las reacciones de los individuos, despus de permanecer en un espacio durante una o varias horas y al ajustarse en un equilibrio. Esta es la condicin ms usual, para establecer la comodidad, como se muestra en las lneas de grfica de comodidad, donde se utiliza la temperatura efectiva como ndice de comodidad. Se recomienda utilizar las curvas 3, 4 5 y 6 para las diversas reacciones fisiolgicas del ser humano. 3 4 5 6 Fro ligero Confortable Calor Ligero Calor

(18 C 21 C ) ( 22 C 23 C ) ( 24 C 26 C ) ( 28 C 30 C )

Esta grfica no relaciona las variaciones de las condiciones de comodidad, si existen grandes variaciones en temperatura radiante del medio ambiente. Fundamentalmente slo es aplicable cuando las paredes, piso y plafn, estn esencialmente a la temperatura de bulbo seco del espacio considerado.

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1.1.1.4.- TEMPERATURA MEDIA RADIANTE (TMR). Se define como la temperatura promedio de las superficies de los muros, pisos y plafn, que se han calculado. La temperatura de bulbo seco del orden de 26.67 C ( 80 F ) , se incrementa 0.56 C (1 F ) en la (TMR). A medida que la temperatura de bulbo seco aumenta, se requerir un mayor incremento en la (TMR) para producir el mismo efecto fisiolgico. Es decir, que si la temperatura de bulbo seco tiene 30.56 C ( 87 F ) , la (TMR), produce una temperatura efectiva equivalente de 31.11 C ( 88 F ) . A altas temperaturas de bulbo seco, el efecto de la (TMR) sobre la comodidad es menos notable, que a menores temperaturas de bulbo seco, pero si hay gran discrepancia entre la temperatura de la superficie de la pared y la del ambiente, siempre deben considerarse los efectos radiantes. Por regla, para diseo se considera un incremento del rango de 0.16 a 0.56 C ( 0.3 a 1 F ) en la temperatura de bulbo seco de la habitacin, para compensar una cada de 0.56 C (1 F ) de (TMR) en el rango convencional de calefaccin. 1.1.2.- HUMEDAD RELATIVA Es la cantidad de calor que afecta al cuerpo al disiparse por evaporacin, esto indica que capacidad de aire absorbe la humedad. Tambin compara la cantidad de vapor presente, con el mximo aire que debe contener la temperatura indicada. Si la humedad relativa es menor, el cuerpo humano es capaz de disipar ms calor por evaporacin, que cuando es mayor esta humedad. La evaporacin aumenta al bajar la humedad relativa y en caso contrario, se incrementa la humedad relativa al disminuir la evaporacin. Es decir, que al tener una temperatura bulbo seco de 25C, la humedad relativa es aproximadamente el 50%, estos datos se observan en la carta psicromtrica 1.1.2.1.- HUMEDAD DEL AIRE Y TEMPERATURA DE BULBO SECO Comparacin de la diferencias de la humedad relativa y la temperatura de bulbo seco: Humedad relativa baja; con temperatura de bulbo seco alta: No se tendr comodidad. La evaporacin de humedad en la superficie de la piel es activa provocando enfriamiento desmedido y resequedad en la superficie de la piel. Humedad relativa alta; con temperatura de bulbo seco baja: Se logra una sensacin de comodidad. La evaporacin de humedad de la superficie de la piel prcticamente se detiene, cesando el enfriamiento por evaporacin.

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Lmites de humedad: se mantienen gradaciones variantes de comodidad dentro de los lmites de humedad anteriormente estipulados. Escala de la humedad relativa: Desde el punto de vista de disipacin de calor del cuerpo humano, esta escala es variada, no tiene importancia, pero otras consideraciones imponen que el valor se encuentra entre los valores de 30 y 70%. Valores inferiores a 30%: Para valores inferiores al 30% las membranas mucosas y superficie cutnea se tornan incmodamente secas. Valores superiores a 70%: Los rangos an a 60%, existen propensiones a sensaciones de viscosidad y de una condicin pegajosa. 1.1.3.- CIRCULACIN DEL AIRE (MOVIMIENTO). Para buenos resultados de la circulacin del aire, debe existir un incremento del grado de evaporacin, que dependa de la capacidad del aire para absorber la humedad. La circulacin el aire sobre el cuerpo humano, es para sustituir el aire saturado, que permite evaporar la humedad de la piel. Esta capa de aire rodea al cuerpo humano y se carga de humedad. La humedad relativa se incrementa, al grado de no absorber el vapor de agua y la evaporacin del cuerpo humano se detiene. Esta circulacin, evita la formacin de una capa de aire saturado en su alrededor, para acelerar el proceso de la conveccin, donde retira el aire tibio de su alrededor, desplazando el calor disipado del cuerpo humano y elimina el calor cedido por las paredes, techo y otras superficie que se encuentran en su alrededor. El hombre en la intemperie, depende de su ropa y del tiempo para sentirse cmodo. Si la combinacin de temperatura, humedad relativa y circulacin del aire es adecuada, el cuerpo humano disipa calor y se siente cmodo, pero si las circunstancias son desfavorables, el cuerpo siente molestia y altera el sistema nervioso. La temperatura efectiva, decrece al aumentar la velocidad del aire, porque se incrementa el efecto de disipacin de calor por conveccin y evaporacin del cuerpo. 1.1.3.1.- CALIDAD Y CANTIDAD REQUERIDAS DEL AIRE Los requisitos del aire que se suministra a un espacio, debe estar exento de malos olores, polvo, gases o vapores txicos; porque el aire exterior que se inyecta a un recinto ocupado por personas, ser en cantidades suficientes para contrarrestar o abatir adecuadamente los focos contaminantes. En este trabajo, se tratan los casos especficos y normas para resolver los problemas comunes, que se presentan en el rea de la Ingeniera Mecnica.

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1.1.3.2.- EL MEDIO CIRCUNDANTE EN LAS INDUSTRIAS Existen varios requisitos en las diversas industrias, que impiden fijar condiciones de comodidad en el medio circundante, originando que se procuren medios adecuados para mejorar dichas condiciones, como las recomendaciones siguientes: Para espacios con temperatura alta: Ventilar todas las fuentes de produccin de vapor con el fin de abatir hasta donde sea posible, la humedad relativa (). Obligar a los operarios que utilicen ropa ligera y si es necesario, suministrarles ropa de material aislante trmico. Inyectar aire en cantidades suficientes y a una temperatura baja. Aislar trmicamente a un grado mximo todas las fuentes de calor.

Estas temperaturas altas son inofensivas si se mantiene baja la humedad relativa (), con un valor de 30%, pero con una temperatura de bulbo seco (tbs) de 57C, los operarios tendrn una permanencia de media hora dentro del espacio. Por otro lado, alrededor de 90% () y temperatura de bulbo seco de 38 C, son inseguras, an para permanencias cortas de los operarios dentro del espacio. En la grfica de comodidad de ASHRAE, que se mostr en la figura 1.1., las zonas de invierno y verano que indican comodidad, se aplican para habitantes de EUA. En invierno la aplicacin es por medio de calefaccin por los mtodos usuales de conveccin y no por mtodos de radiacin. 1.1.3.3.- DISTRIBUCIN El suministro de aire acondicionado en un recinto, se distribuyen en diferentes formas, aplicando un flujo volumtrico en condiciones adecuadas, pero an as, si los ocupantes se sienten incmodos, es porque el aire no se distribuye correctamente en el recinto. Existen cuatro tipos de dispositivos de suministro de aire que se utilizan para crear una buena distribucin en el espacio acondicionado. Parrillas y registros.- Estos dispositivos compuestos por un marco y barras paralelas, que son fijas y ajustables. Difusores de cielo raso.- Una serie de anillos concntricos separados o persianas con un collarn o cuello para conectarlas con el conducto; son redondos, cuadrados o rectangulares. Difusores de ranura.- Es una salida larga en forma de banda con una o varias aberturas angostas, depende del numero de barras o persianas.

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Cmaras plenas de cielo raso.- Son con ranuras o perforaciones en la mayor parte o en la totalidad del cielo raso. La misma cantidad de aire suministrada se debe extraer por medio de un conducto que lo lleva nuevamente al equipo acondicionador. 1.1.4.- PUREZA Los sistemas de aire acondicionado que hacen circular el aire, filtran y eliminan las impurezas, los contaminantes, como las partculas de polvo o tierra, originados en la contaminacin industrial y los gases con olores desagradables. En estas condiciones el aire contina a la misma temperatura y humedad del recinto. La limpieza del aire es necesaria, por las siguientes razones: Proteccin de la salud humana.- Las partculas de polvo se relacionan con serios padecimientos respiratorios, como la enfisema y el asma. Mantenimiento de la limpieza de las superficies y muebles del recinto. Proteccin del equipo de aire acondicionado.- Algunos equipos no trabajan al 100% y su vida til es ms rpida, sin la limpieza adecuada. Proteccin de la maquinaria de aire acondicionado.- El polvo que se acumula en los serpentines aumenta su resistencia a la transferencia de calor El objetivo de estos sistemas es controlar la circulacin del aire, para aumentar y disminuir el calor y la humedad. Los trminos de carga de refrigeracin y calefaccin se usan por simple conveniencia. Es decir, se trata de controlar la temperatura y los factores que afectan al ritmo para disipar el calor en el cuerpo humano. Estos factores se controlan al circular el aire, a una temperatura y humedad apropiada por medio de un ventilador. 1.2.- APLICACIONES DIVERSAS En la prctica los equipos de aire acondicionado y calefaccin han generado sobrevivir a la humanidad, bajo condiciones climatolgicas difciles. Estos equipos implican suministros de aire atmosfrico y realizar el cambio de temperatura del aire en un espacio interior, pero en cantidad suficiente para satisfacer las condiciones de vida. La calefaccin implica el mantener un espacio a una temperatura mayor que la de sus alrededores. 1.2.1.- FINES INDUSTRIALES El objetivo de estos equipos en la industria, es controlar las condiciones adecuadas de temperatura, humedad, movimiento y calidad del aire dentro de las industrias de que se trate. Se requiere analizar un estudio especial para cada caso.21

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Para procedimientos industriales, no est relacionado directamente con la comodidad de las personas, pero s debe tomar en cuenta la aplicacin en las industrias, para obtener buenos resultados en el producto. Varias industrias, tienen procedimientos mecnicos de exacta precisin y controlan su producto mejor. As tambin, mantienen las condiciones ambientales de sus operarios en no sudar al estar trabajando. Las aplicaciones en la industria son extensas y se citan las siguientes: 1. Fabricacin de cerillos 2. Elaboracin de productos alimenticios 3. Fabricacin de productos farmacuticos 4. Elaboracin de productos qumicos 5. Fabricacin de cigarros 6. En industrias textiles 7. Fabricacin y revelado de pelculas 8. En las artes grficas 9. Elaboracin de plsticos 10. Salas para computadoras Existe desde luego, un campo amplio para la aplicacin de estos equipos con diferentes objetivos. 1.2.2.- CONTROL DE PROCESOS INDUSTRIALES Para los procesos industriales de un producto, es conveniente conocer sus propiedades, que se divide en tres grupos: 1.2.2.1.- PROPIEDADES FSICAS. Para conocer definiciones: estas propiedades es necesario conocer las siguientes

Dureza: Es de acuerdo a la funcin de la temperatura, que comprende a la regulacin de la humedad y circulacin del aire, que son esenciales. Estado: Propiedad importante en las industrias de productos comestibles, sustancias qumicas y productos farmacuticos. Humedad: El cambio de contenido de humedad relativa del aire, muestra la influencia de variar el contenido de humedad higroscpica o absorbente, definida como la capacidad de absorber agua de la atmsfera, en los productos de origen animal, vegetal, y en menor grado, en algunos minerales.

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La importancia es que el contenido de humedad higroscpica de dichos productos se encuentre en estado de equilibrio con la humedad relativa del aire que los rodea. La variacin del contenido de humedad higroscpica, causa cambios en las propiedades fsicas de los materiales, segn la naturaleza de stos. Es decir, cambia el peso, la resistencia, la cohesin y la plasticidad. Las propiedades electrostticas de algunos materiales dependen del contenido de humedad higroscpica en equilibrio con la humedad del aire que los rodea. Es importante el control de las propiedades fsicas de la maquinaria, que se utiliza en los procedimientos industriales. Estas propiedades fsicas, son las dimensiones, forma y precisin, que no son secundarias al producto, porque en varios casos el control de estas caractersticas es esencial para la excelencia del producto. 1.2.2.2.- PROPIEDADES QUMICAS. Son importantes en las fbricas de productos qumicos, donde la temperatura determina el tipo y la actividad de la reaccin qumica del producto. Otra fase importante es el control de las oxidaciones. En soluciones saturadas, la rapidez con que se efecta el descenso de temperatura determina el tamao de los cristales que se formen. 1.2.2.3.- PROPIEDADES BIOQUMICAS. Se refiere al control de la propagacin de los organismos vivos, para retardar o evitar el desarrollo de moho o de bacterias; tambin en la prevencin de podredumbre. Estos organismos crecen en atmsferas calientes, hmedas y estancadas. La aplicacin de una temperatura adecuada nicamente, sin la regulacin propia de la humedad y circulacin del aire, sera inconveniente. El problema se presenta en el almacenaje de los vveres. Los tanques de fermentacin en las cerveceras son un ejemplo interesante en que la limpieza del aire es esencial para el propsito, es decir, la transmisin de las esporas que tanto afectan el grado, a que se puede regular la fermentacin. 1.3.- FINES TERAPUTICOS Y PREVENCIN DE ENFERMEDADES. Esta aplicacin es muy importante, pudiendo citar: Terapia caliente.- Consiste en producir en el paciente una fiebre alta, para dominar la invasin de grmenes patgenos en su organismo. Al paciente se le introduce dentro de un gabinete con ambiente hmedo caliente.

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Terapia fra.- El fro como agente anestsico se apoy desde hace varios aos, pero sin llegar al congelamiento de los tejidos. En pacientes a quienes se les va a amputar una extremidad, se le aplica un torniquete a la extremidad afectada y se enfra hasta cerca de los 5C. Este procedimiento se ha realizado utilizando hielo en trozos o escamas, lo cual resulta incmodo, mojado y sucio. Por otro lado, este procedimiento de congelamiento de extremidades o lesin cutnea y para muones de miembros, que han sido amputados, consiste en introducir al paciente en una cmara suministrando aire a una temperatura controlada. Oxigenoterapia.- Se aplica al paciente para prevenir o aliviar la anoxia, que se define como dficit de oxgeno en los tejidos orgnicos. Se aplica para neumona, anemia aguda, descompensacin cardiaca, atelectasis pulmonar, asma y asfixia. La efectividad de esta terapia, depende de la concentracin del oxgeno en el aire inspirado o de la presin parcial del oxgeno en el alveolo pulmonar. Cuartos de rayos X.- Estas condiciones son a base de una presin negativa, sin recircular aire, para evitar olores y produciendo un ambiente de comodidad para el paciente y el radilogo. Quirfanos.- Se impone suministrarles un sistema completo de aire acondicionado, con un control preciso de temperatura y humedad relativa, con la finalidad de eliminar fatiga excesiva al personal mdico y proteccin al paciente. Adems, prev el riesgo de explosin por el empleo de gases txicos. Se requiere un filtrado eficiente del aire. Control de desrdenes alrgicos.- El sistema de aire acondicionado, debe proporcionar un ambiente despojado de sustancias que produzcan alergias, como polvos, polen, plumas, etc., que penetran en el cuerpo por inhalacin, utilizando filtros de alta eficiencia o bien del tipo electrosttico y adems suministrando aire deshumidificado a una temperatura confortable. Salas de recin nacidos.- A estas salas se les debe proveer de un ambiente adecuado, controlando la temperatura y humedad, adems de suministrar una ventilacin caracterizada por la remocin de olores y materialmente reducir la contaminacin bacterial del ambiente, mediante sistema de filtrado de alta eficiencia. Se asevera que en un hospital o clnica, es imponer la instalacin de sistemas de aire acondicionado, que satisfagan las necesidades requeridas para cada rea, porque la innovacin sobresaliente del proyecto general, es la aplicacin amplsima de estos sistemas. Existen varias aplicaciones del aire acondicionado y cada vez se van ampliando, citando las ms importantes, en laboratorios de prueba con animales, en la industria farmacutica, invernaderos, salas de incubacin y de nacedoras en la avicultura, fabricacin de biolgicos para el ser humano y para los animales, centros de produccin de insectos benficos, bioterios, almacenes para semillas, etc.

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1.4.- INTERCAMBIOS TRMICOS CON EL MEDIO AMBIENTE. La temperatura del cuerpo, es mayor que la del medio ambiente dentro de un recinto fresco o fro. Simultneamente el cuerpo pierde calor constantemente por radiacin, conveccin y evaporacin. Los procesos termodinmicos fundamentales vinculados a intercambios de calor entre el cuerpo y su medio ambiente se expresan con la siguiente ecuacin: M = S + E + R +C En la tabla 1.1, se muestran las definiciones y observaciones que expresan la ecuacin anterior. Tabla 1.1 Procesos termodinmicos del medio ambiente con el ser humano. PROCESOSM

DEFINICIONRgimen de metabolismo o calor producido dentro del cuerpo, debido a la oxidacin. Rgimen de almacenamiento, variacin en calor intimo del cuerpo

OBSERVACINEste rgimen se considera positivo.

S

E

R C

Se considera positivo o negativo y depende de que si se almacena o se agota calor, debido a un incremento o descenso de la temperatura del cuerpo. En circunstancias ordinarias, cuando la temperatura de roco del aire es Rgimen de prdida de calor inferior a la superficie del cuerpo, la evaporativo. prdida E se considera positiva. Es decir, que el calor que proviene del metabolismo sustituye esta prdida. Rgimen de prdida o ganancia de Las prdidas R y C son positivas calor radioactivo cuando la temperatura de la Rgimen de prdida o ganancia de superficie del cuerpo es mayor a la de los muros y del aire y son calor convectivo negativas cuando dicha temperatura es menor.

El organismo humano tiene la facultad, hasta cierto lmite, de adaptarse por s mismo a condiciones climatolgicas extremas, se denomina aclimatacin a la adaptacin, que es fisiolgica como psicolgica. Independiente de utilizar ropa adecuada, para la estacin de invierno como para la de verano, a las residencias se le debe proporcionar calefaccin y enfriamiento segn la estacin del ao, respectivamente.

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Las cantidades reales de calor y humedad que emanan del cuerpo humano son de inters, porque afectan al diseo de los sistemas de aire acondicionado. En invierno, el calor y la humedad desprendidos por los ocupantes, reducen las cantidades de estas propiedades que se deben suministrar artificialmente; en cambio, en el verano son prdidas de carga trmicas sobre los sistemas de enfriamiento y deshumidificacin. 1.5.- PRDIDA DE CALOR DEL CUERPO HUMANO Estas prdidas son variables, depende del mismo individuo, del grado de actividad, y de las condiciones atmosfricas, que no estn dentro del rango de comodidad. 1.6.- ANTECEDENTES DE LOS SISTEMAS DE AIRE ACONDICIONADO Como sabemos el aire acondicionado proporciona comodidad de refrescarse. La refrigeracin temprana fue proporcionada por el hielo de las charcas y de los ros congelados en los climas fros. El hielo era cosechado y almacenado en invierno y despus vendido en tiempos de calor. En 1815 Frederic Tudor de Boston comenz a comercializar en hielo, para el ao de 1864 ya se conoca como el rey del hielo del mundo, el comercio del hielo se convirti en una industria importante en los Estados unidos. La malaria fue llamada la enfermedad del verano en la florida tropical, un medico llamado John Gorrie naci el 3 de Octubre de 1802 en la isla de Nevis, el recibi su educacin medica en Nueva York, en 1833 Gorrie emigro a la Florida. Los veranos de Floridas eran muy calurosos y el hospital portuario se encontraba saturado de marineros afligidos por malaria y fiebre amarilla. Las investigaciones en fro de Cullen, Faraday y Perkins, convencieron a Gorrie de idear un sistema de aire acondicionado para tratar a sus pacientes de fiebre, haciendo que el aire soplara sobre unos cubos de hielos. En la figura 1.2 muestra la estatua de John Gorrie determino desarrollar un sistema de refrigeracin de aire fro, para suministrar aire a sus pacientes que sufran de fiebre. John Gorrie, escribi el motor propuesto para la ventilacin y el aire de enfriamiento en climas tropicales por energa mecnica. Tambin, describi la funcin de su sistema de refrigeracin de aire comprimido y predijo correctamente que en un futuro las frutas y las carnes serian preservados y disfrutados por todos. En 1851, recibi la confirmacin de su patente No. 8080 para la primera maquina de aire acondicionado y refrigeracin mecnica. Gorrie es pionero en el desarrollo del aire acondicionado, fue el primer hombre en proponer, disear y construir una maquina para refrescarse. Por lo tanto, se considera padre del aire acondicionado y la refrigeracin. El 29 de Junio de 1855 falleci.

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Figura 1.2. Estatua de John Gorrie, Ubicada en el Santuario Hall, Washington. En el ao de 1870, los sistemas de refrigeracin y calefaccin, empezaron a utilizarse para ventilar los edificios, siendo el principio del comercio de esta demanda de servicios, en particular para las cerveceras, fabricas de hielo y la conservacin en cmaras frigorficas. Sin embargo, exista poca demanda para la comodidad de refrescarse. El desarrollo del vapor y del equipo elctrico, inici a mediados de 1880, pero fueron separados debido a una mejor compresin de los principios elctricos, mecnicos y termodinmicos. La figura de 1.3 muestra la foto de Willis H. Carrier, que en 1902 desarrollo las bases del moderno aire acondicionado y desarrollo el concepto de climatizacin. Carrier diseo una maquina especifica que controlaba la humedad a travs de tubos de enfriamiento, dando lugar a la primera unidad de climatizacin de la historia.

Figura 1.3. Willis Haviland Carrier, 1876-1950. El objetivo principal de Carrier era mejorar el desarrollo del proceso industrial a travs de continuos cambios tecnolgicos, que permitieron el control de la temperatura y la humedad. En 1922 Carrier lleva a cabo uno de los logros de mayor impacto en la27

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historia de la industria. La enfriadora centrifuga este nuevo sistema de aire acondicionado hizo su debut en 1924 en los grandes almacenes de Detroit. Su xito fue inmediato al instalarse este equipo en los hospitales, aeropuertos, hoteles y fabricas. Carrier con seis colegas crearon su propia compaa, (Carrier Engineering Corporation). En 1930 alrededor de 300 cines tenan instalado ya el sistema de aire acondicionado. En 1945 despus de la segunda guerra mundial las ventas de equipos residenciales empezaron a tomar importancia en los hogares. En la actualidad gozamos de muchos tipos de aire acondicionado los cuales se mencionan algunos: 1.7.- FUNCIONAMIENTO DEL SISTEMA DE AIRE ACONDICIONADO El aire que suministra el sistema de aire acondicionado es de baja temperatura y seco en comparacin a la temperatura del recinto, para absorber el calor y la humedad generada por el cuerpo humano y otros factores; como equipos elctricos, energa elctrica, etc. Para desarrollar este proceso, el aire debe enfriarse y ser deshumedecido, es decir, el acondicionador debe absorber calor y la humedad del aire, antes de suministrarlo en el recinto, como se muestra en la figura 1.4.

Figura 1.4.- Diagrama esquemtico del sistema de refrigeracin y aire acondicionado. En esta figura se muestra la unidad de ventilacin, que se encuentra en la parte superior. El aire es suministrado por un ventilador tangencial, accionado por un motor de corriente alterna a velocidad constante. El flujo de aire suministrado vara desde 10 a 30 m3/min, y se controla con una compuerta mariposa vertical ubicada en el tramo del ducto antes de llegar a la seccin precalentadora. Esta seccin, contiene elementos de resistencias, ubicadas verticalmente sobre el ducto, que proporcionan calor para variar la carga trmica del aire a la entrada del evaporador, en consecuencia se incrementa la temperatura del medio ambiente.

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Por otro lado, tambin se utilizan generadores de vapor, compuesto por un tanque de agua, que se le suministra calor, tambin por resistencias durante varias horas continuas. El vapor generado se conduce por tubera de cobre hasta la seccin del ducto en forma verticalmente. En esta seccin la tubera tiene orificios intercalados en su longitud, para inyectar vapor al flujo de aire y cambiar sus condiciones ambientales de alta humedad, este proceso tambin se conoce como humidificacin del aire. Despus de haber utilizado uno u otro mtodo de humidificacin del aire, se aplica el proceso de enfriamiento mediante un serpentn dentro del evaporador, donde el aire disipa el calor al refrigerante y la humedad se condensa y se desecha al exterior, que corresponde al sistema de refrigeracin por compresin mecnica de vapores. Este sistema consta de un compresor sencillo activado por un motor elctrico de velocidad constante; de un condensador o intercambiador de calor enfriado con agua a contraflujo y el refrigerante, pero con apoyo de una torre de enfriamiento; de una vlvula de expansin que controla termostticamente el flujo del refrigerante a la salida del evaporador. Finalmente, en estas condiciones el aire a baja temperatura, sin humedad y limpio de impurezas debe circular, para absorber el calor y la humedad disipada en el recinto. La cantidad de aire que se suministra debe ser igual a la de retorno para continuar con el ciclo de filtracin, enfriamiento y deshumidificacin. Para el proceso industrial depende de la naturaleza del mismo o de los materiales que se manejan. Para el confort humano son dictadas por el ser humano y es necesario conocer sus funciones esenciales, debido que se considera una mquina que produce calor y depende de su actividad, para mantener su temperatura normal de 36C. Existen tres procesos para disipar calor. Conveccin.- El aire hace contacto con un cuerpo caliente para incrementar su temperatura, donde el aire tendr menos peso y se eleva. Al mismo tiempo, el aire fresco sustituye su lugar y nuevamente se incremente la temperatura, para realizar nuevamente este proceso. Radiacin.- El calor es irradiado directamente del cuerpo a las superficies ms frescas de su alrededor, as tambin los rayos ultravioleta atraviesan el espacio para calentar la superficie de la tierra. El calor fluye de la piel hacia la pared, techo o superficie de algn cuerpo de menor temperatura. Evaporacin.- El cuerpo disipa calor y la transpiracin que se produce en los poros de la piel, absorbe el calor del cuerpo a medida que se evapora. La evaporacin se produce continuamente, como las gotas de sudor porque est produciendo ms calor del disipado. La facilidad con que el cuerpo hace la disipacin de calor depende de la temperatura, humedad relativa y circulacin del aire.

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Los sistemas de aire acondicionado es proporcionar un ambiente de confort a los ocupantes transitorios o para los reunidos en un espacio amplio. El confort es el resultado de un control simultneo de la humedad, de la temperatura, de la limpieza y de la distribucin del aire en el recinto de los ocupantes. Los medios decisivos para conseguir el confort se considera la mezcla de aire y la pureza. Este trabajo corresponde a la clasificacin de los sistemas de todo aire es decir slo tratamiento del aire, calefaccin o enfriamiento y su objetivo es distribuir aire a los recintos, aplicando algunas variantes y aplicaciones Los sistemas de zona nica, corresponde a que una unidad primero acondiciona y despus distribuye un volumen constante de aire por un ducto a grupo de recintos. 1.8.- DIFERENTES UNIDADES DE LOS SISTEMAS DE AIRE ACONDICIONADO En la actualidad la clasificacin de los sistemas de aire acondicionado es de acuerdo a la forma en que realizan los procesos de acondicionamiento, aplicando la refrigeracin y la calefaccin dentro del local que se pretende desarrollar. El diseador debe conocer las caractersticas de cada sistema aplicado y decidir la mejor seleccin. La importancia de conocer los cambios de carga, las necesidades de zonificacin, el espacio disponible y los costos variables que determinan los sistemas empleados. La clasificacin es de acuerdo al fluido de distribucin de enfriamiento o de calefaccin, es decir aire o agua, como se presentan los siguientes grupos: 1.8.1.- EXPANSIN DIRECTA Estos sistemas se clasifican en Unitarios y Centrales; los primeros corresponden a que sus componentes estn seleccionados de fbrica y empaquetados, que incluye al equipo de refrigeracin, ventilador, filtros, compuertas y controles, como se muestra en la figura 1.5.

Figura 1.5.- Expansin directa, denominados como de ventana. Normalmente se colocan uno por habitacin, si el local es de mayor rea, se colocan varios segn las necesidades. La instalacin se realiza en la ventana o en el30

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muro, como se muestra en la figura 1.6. La seccin exterior requiere expulsar el aire a travs del hueco del equipo, que se ajusta a sus dimensiones. Su ubicacin se localiza cerca del recinto por acondicionar, adems estos equipos se clasifican en Unidades de recinto, de Unidades de aire, de paquete y de techo.

Figura 1.6.- Acondicionador de Ventana. Los sistemas centrales o de remoto, tienen sus componentes separados, es decir que el diseador o contratista los compra por separado y lo instala. Su instalacin se encuentra alejada del recinto y cada uno de sus componentes puede o no pueden estar alejados, depende de la conveniencia. 1.8.2. SISTEMA TODO AIRE Su objetivo es distribuir aire a los recintos, aplicando algunas variantes y aplicaciones: Estos sistemas son de zona nica, corresponde a que una unidad primero acondiciona y despus distribuye un volumen constante de aire por un conducto a grupo de recintos, como se muestra la figura 1.7.

Figura 1.7.- Equipo con volumen constante y distribucin por conductos y rejillas.

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Es un equipo de descarga indirecta, mediante red de conductos y emisin de aire a travs de rejillas en pared o difusores en techo. Generalmente se instala un equipo para todo el conjunto de una vivienda o local. El control es individual por equipo, y se realiza de acuerdo con las condiciones de confort de la habitacin ms representativa. El equipo necesita una toma de aire exterior. Se puede colocar en un falso techo o en un armario, existiendo modelos horizontales y verticales, Sistema de volumen variable de aire, corresponde a un solo conducto principal, que parte de la unidad manejadora de aire, al igual que en un sistema de unsona. Sin embargo la cantidad de aire que se suministra a cada ramal vara, como se muestra en la figura 1.8.

Filtro de aire

Serpentn de precalentamiento (opcional)

Serpentn de enfriamiento

Serpentn de calefaccin o recalentamiento (opcional) Aire de suministro Ventilador

Aire del exterior

A otros recintos

Retorno de aire

Recinto 1

Recinto 2

Salida de aire

De otros recintos

Ventilador de retorno de aire (opcional)

Figura 1.8.- Sistema todo aire con volumen variable de aire. Los sistemas de recalentamiento, est dispuesto de varios conductos separados, se distribuyen desde la unidad de manejo de aire hasta cada zona o recinto, que se va a controlar por separado. Los sistemas de zonas mltiples, corresponde a una unidad de manejo de aire que tiene un serpentn de calentamiento y un serpentn de enfriamiento en paralelo, as tambin tiene compuertas para cada proceso de salida. Los sistemas de doble conducto, contiene conductos cabezales separados para aire fro y caliente, desde los serpentines de calefaccin y enfriamiento en la unidad manejadora de aire. 1.8.3.- SISTEMA TODO REFRIGERANTE Estos sistemas slo se emplean en instalaciones de pequea o mediana potencia y se emplean tuberas de refrigerante, que transportan el fro y el calor hasta los locales a climatizar. La diferencia entre los sistemas individuales es que este sistema de climatizacin es elemental formado por una pequea unidad de habitacin.

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Estos sistemas tienen una capacidad adecuada, para servir a un espacio de mayores dimensiones mediante una pequea red de conductos de aire. As tambin, son autnomas y su aplicacin se desarrolla en las habitaciones pequeas, grandes y zonas segregadas. Tambin se instalan en residencias particulares, oficinas, establecimientos comerciales y diferentes grupos de oficinas, que constituyen zonas individuales, comnmente se denominan mini splits, como se muestran en las figuras 1.9, 1.10 y 1.11.

Figura 1.9.- Sistema mini splits de pared

Figura 1.10.- Sistema individual de todo refrigerante

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Figura 1.11.- Unidades mini-splits piso techo. 1.8.4.- SISTEMAS DE AIRE Y AGUA. Es el sistema central de aire acondicionado, distribuye agua helada y/o caliente, hasta los recintos individuales. Estos sistemas emplean las mejores caractersticas de los dos anteriores, porque la mayor energa la transporta el agua y las cantidades de aire que se distribuyen slo son las suficientes para la ventilacin y con lo que respecta al espacio total de entrepisos y cielos rasos es pequeo, por lo tanto el aire que se maneja es a grandes velocidades, como se muestra en la figura 1.12.Aire mezclado

Serpentn de enfriamiento Filtro de pantalla de algodn Aire secundario inducido del recinto

Aire primario Chorro de aire a alta velocidad Suministro de aire primario

Figura 1.12.- Unidad de aire y agua denominado induccin. En la figura 1.13, muestra la enfriadora modelo CVGF, que se utiliza en oficinas, hospitales, colegios, hoteles, comercios y edificios industriales. Estos equipos de enfriadoras de agua, utiliza compresor centrfugo de presin intermedia de dos etapas y refrigerante R-134a y se ha probado que proporciona mayor rendimiento energtico. As tambin, ofrece la combinacin del evaporador, condensador y compresor y se selecciona de acuerdo a normas.

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Figura 1.13.- Enfriadora de agua con compresor centrifugo de dos etapas 1.8.5.- SISTEMA TODO AGUA (FAN AND COILS) Se utilizan en zonas comerciales por ser econmicos y necesitan menos espacio de la seccin transversal de tubera. Este sistema hidrnimo de enfriamiento es til para espacios reducidos, en especial en los entrepisos y los cielos rasos. Su desventaja es tener una multiplicidad de unidades de ventilador y serpentn, que significa ms trabajo y costo de mantenimiento. Estos sistemas son de menos costo, en aplicaciones a edificios altos de muchos recintos, como se muestra en la figura 1.14, que corresponde al Isomtrico y la figura 1.15, corresponde al esquemtico.

Unidades terminales

U tBomba

Bomba

Generador de ag caliente o agua f

Generador de agua caliente o agua fra

Figura 1.14.- Sistema todo agua para el Isomtrico.

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Unidades terminalesBomba

Generador de agua caliente o agua fra

Figura 1.15.- Sistema todo agua para el esquemtico. En la figura 1.16, se muestra el equipo dividido (Split), con Fan & Coils, como se encuentran en el mercado

Figura 1.16.- Unidad central con Fan & Coils. En la figura 1..17, se muestra un equipo dividido de Fan & Coils, que est integrado por las turbinas y el serpentn donde circula el refrigerante.

Figura 1.17.- Unidad central del serpentn y la turbina

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Capitulo i Principios de Aire Acondicionado