DISEÑO DE UN SISTEMA DE CLIMATIZACIÓN PARA NAVES

DISEÑO DE UN SISTEMA DE CLIMATIZACIÓN PARA NAVES INDUSTRIALES DEL SECTOR FARMACÉUTICO PARA ALMACENAMIENTO DE MATERIA

PRIMA EN LA CIUDAD DE BARRANQUILLA

Gabriel A. Pacheco Lasso Andrés C. Prieto Gutiérrez Leonardo A. Robles Utria

UNIVERSIDAD DEL NORTE División de Ingenierías

Departamento de Ingeniería Mecánica Barranquilla - Colombia

2021

DISEÑO DE UN SISTEMA DE CLIMATIZACIÓN PARA NAVES INDUSTRIALES DEL SECTOR FARMACÉUTICO PARA ALMACENAMIENTO DE MATERIA

PRIMA EN LA CIUDAD DE BARRANQUILLA

Gabriel A. Pacheco Lasso Andrés C. Prieto Gutiérrez Leonardo A. Robles Utria

Proyecto Final

Mtr. Hugo C. Florez Caballero

UNIVERSIDAD DEL NORTE División de Ingenierías

Departamento de Ingeniería Mecánica Barranquilla - Colombia

2021

Pág.

1 RESUMEN 13

2 INTRODUCCIÓN 14

3 FORMULACIÓN DEL PROBLEMA 16

3.1 Planteamiento del problema 16

3.2 Descripción del problema 16

3.3 Alcance 16

3.4 Objetivos 17

3.4.1 Objetivo general 18

3.4.2 Objetivos específicos 18

3.5 Metodología 18

3.6 Cronograma 20

4 MARCO CONCEPTUAL 21

4.1 Sistema de refrigeración industrial 21

4.1.1 Chiller 24

4.1.1.1 Etapa 1: Evaporador 26

4.1.1.2 Etapa 2: Compresor 26

4.1.1.3 Etapa 3: Condensador 26

4.1.1.4 Etapa 4: Válvula de expansión 26

4.1.2 Torre de enfriamiento 27

4.1.3 Unidad Manejadora de Aire (UMA) 31

CONTENIDO

4.2 Otros sistemas de refrigeración 32

4.2.1 Sistema VRF 32

5 DEFINICIÓN DE ESPECIFICACIONES 34

5.1 Revisión del estado del arte 34

5.1.1 Evolución de la investigación en el área 34

5.1.2 Tendencias 36

5.1.2.1 Refrigeración por compresión 37

5.1.2.2 Efecto Peltier 37

5.1.2.3 Refrigeración termoacústica 37

5.1.2.4 Refrigeración por absorción 37

5.1.2.5 Refrigeración por adsorción 37

5.1.3 Limitantes 38

5.2 Revisión de patentes 41

5.2.1 Análisis de patentes 41

5.2.1.1 Unidades Manejadoras de Aire 42

5.2.1.2 Chiller: 44

5.2.1.3 Torres de Enfriamiento 46

5.2.2 Normas y códigos 49

5.3 Conclusiones 49

6 ESPECIFICACIONES 51

6.1 Procesos y métodos utilizados 51

6.2 Definición de deseos o expectativas del cliente 51

6.3 Definición de las especificaciones de ingeniería 56

6.3.1 Establecimiento de valores metas 58

6.3.2 Listado de especificaciones de ingeniería 59

6.4 Planificación del proyecto 60

7 DISEÑO CONCEPTUAL 62

7.1 Generación de alternativas 62

7.1.1 Metodología del diseño conceptual 62

7.1.1.1 Caja negra 62

7.1.1.2 Caja transparente 63

7.1.1.3 Análisis funcional 64

7.1.2 Diagrama morfológico 65

7.1.3 Descripción conceptual de la alternativa 1 65




7.1.7 Cálculos preliminares 77

7.2 Evaluación integral de las alternativas 84

7.2.1 Definición de criterios o factores de decisión 85

7.2.2 Evaluación de la alternativa 1 86




7.2.6 Selección final 88

7.2.6.1 Matriz de evaluación 88

7.2.6.2 Conclusiones 89

7.2.6.3 Modelo conceptual 3D de la alternativa ganadora 89

8 DISEÑO BÁSICO 91

8.1 Metodología: procesos y métodos 91

8.2 Diseño básico alternativa ganadora 94

8.3 Análisis de riesgos 97

8.3.1 Cálculos del sistema 99

8.3.2 Dimensionamiento de tuberías 99

8.3.3 Dimensionamiento de conductos 101

8.3.4 Características de equipos a seleccionar 106

8.3.5 Selección de equipos 107

8.3.5.1 Selección de chiller 107

8.3.5.2 Selección de torre de enfriamiento 108

8.3.5.3 Selección de unidades manejadoras 109

8.4 Modelo 3d del diseño básico 111

8.5 Método de optimización 112

9 DISEÑO DE DETALLE 114

9.1 Metodología: procesos y métodos 114

9.2 Selección de bombas 114

9.3 Planos detallados 117

9.4 Modelo 3D 117

9.5 Especificaciones 120

9.6 Presupuesto y cronograma 121

10 CONCLUSIÓN 123

11 ANEXOS 127

Pág.

Tabla 1. Circuitos térmicos: Circuito 1 22



Tabla 4. Evolución de la refrigeración 34

Tabla 5. Clasificación de los sistemas de refrigeración 39

Tabla 6. Tabla comparativa: ventajas de las unidades de refrigeración 40

Tabla 7. Tabla comparativa: desventajas de las unidades de climatización 41

Tabla 8. QFD Segmento 1: Necesidades del cliente 53

Tabla 9. QFD Segmento 2: Desarrollo del house of Quality 54

Tabla 10. QFD Segmento 3: Relación de ítems de diseño y fabricación 55

Tabla 11. Criterios de ingeniería para definición de especificaciones 56

Tabla 12. Listado de referencia de especificaciones 60

Tabla 13. Diagrama Morfológico 65

Tabla 14. Presupuesto de alternativa 1 67

Tabla 15. Presupuesto alternativa 2 71

Tabla 16. Presupuesto Alternativa 3 74

Tabla 17. Presupuesto de la alternativa 4 77

Tabla 18. Resultados de simulación para alternativas de aislamiento. 82

Tabla 19. Análisis costo beneficio de las alternativas de aislamiento 83

Tabla 20. Carga térmica de los equipos 84

Tabla 21. Evaluación alternativa 1 86




Tabla 25. Matriz de evaluación 88

Tabla 26 Indicadores de probabilidad 97

Tabla 27 Indicadores de impacto 97

Tabla 28. Análisis de riesgos 98

Tabla 29. Matriz de riesgo 99

Tabla 30. Cálculo de factor de fricción en tuberías 100

Tabla 31. Cálculo de caudal volumétrico en los recintos 101

Tabla 32. Cálculo de carga térmica en cada recinto 102

Tabla 33. Conversión de diámetro de tubería a ducto rectangular 105

Tabla 34. Dimensionamiento de ductos de aire 106

Tabla 35. Carga térmica a desalojar por cada equipo 107

Tabla 36. Selección de chiller 107

Tabla 37. Seleccion de torre de enfriamiento 108

Tabla 38. Lista de planos en anexos 117

Tabla 39. Especificaciones del flujo en cada etapa 120

LISTADO DE TABLAS

Tabla 40. Consumo mensual de las bombas 121

Tabla 41. Cronograma final del proyecto 121

Tabla 42. Anexos: Vista general QFD 127

Tabla 43 Anexo perdidas por tipo de accesorio 140

Tabla 44. Perdidas de accesorios en tramo torre de enfriamiento ida 141

Tabla 45. Perdidas de accesorios en Torre de enfriamiento retorno 141

Tabla 46 Perdidas de accesorios en tramo a UMA izquierda ida 142

Tabla 47. Perdidas de accesorios en tramo UMA izquierda retorno 142

Tabla 48 Perdidas de accesorios UMA derecha Ida 143

Tabla 49. Perdida de accesorios UMA derecha retorno 143

Tabla 50 Perdidas de accesorios chiller ida 144

Tabla 51. Perdidas de accesorios Chiller Retorno. 144

Tabla 52. Costos de accesorios y tuberías. 147

Pág.

Ilustración 1. Metodología de reuniones 20

Ilustración 2. Planeación de proyecto diseño conceptual 20

Ilustración 3. Planeación proyecto ingeniería básica y de detalle 20

Ilustración 4. Circuitos térmicos del sistema de refrigeración 21

Ilustración 5. Apariencia exterior de un chiller 24

Ilustración 6. Ciclo de refrigeración en chiller 25

Ilustración 7. Apariencia exterior de las torres de enfriamiento 27

Ilustración 8. Esquema de funcionamiento de una torre de enfriamiento 29

Ilustración 9. Corte de seccion de torre de enfriamiento 30

Ilustración 10. Apariencia exterior de una unidad manejadora de aire (UMA) 31

Ilustración 11. Esquema de funcionamiento de una unidad manejadora de aire 32

Ilustración 12.Patente CONTROLS TECH CO 42

Ilustración 13.Patente de sección transversal de unidad manejadora 43

Ilustración 14.Ciclo de chiller 44

Ilustración 15.Patente "Nitrogen gas water chiller apparatus" 45

Ilustración 16. Patente "Ceramic cooling tower CO" 47

Ilustración 17.Patente "Marley cooling tower CO" 49

Ilustración 18. Condición de confort segun temperatura y humedad relativa 58

Ilustración 19. Cronograma de Ingeniería Conceptual 61

Ilustración 20. Caja negra sistema de climatización 62

Ilustración 21. Caja transparente Torre de enfriamiento 63

Ilustración 22. Diagrama de análisis funcional 64

Ilustración 23. Ruta de diagrama morfológico de alternativa 1 65

Ilustración 24. Diagrama de proceso alternativa 1 66

Ilustración 25. Cronograma de alternativa 1 68

Ilustración 26. Ruta de diagrama morfológico alternativa 2 68


Ilustración 28. Cronograma de alternativa 2 70



Ilustración 31. Cronograma de la alternativa 3 73



Ilustración 34. Cronograma alternativa 4 76

Ilustración 35. Bodega a Refrigerar 78

Ilustración 36. Orientación nave industrial 78

Ilustración 37. Simulación de cype, carga térmica en el laboratorio 79

Ilustración 38. Simulación de cype, carga térmica la entrada y oficinas varias 80

Ilustración 39. simulación cype, zonas de bajo flujo de personas 80

LISTADO DE ILUSTRACIONES

Ilustración 40. Simulación carga cype espacio de cielo raso 81

Ilustración 41. Simulación cype, espacio de almacenamiento 81

Ilustración 42. informe de cargas térmicas a máxima carga 83

Ilustración 43. Gráficos de la matriz de evaluación 89

Ilustración 44. vista superior de diseño conceptual 90

Ilustración 45. Vista lateral diseño conceptual 90

Ilustración 46. Diagrama de flujo básico para alternativa ganadora 94

Ilustración 47. Diagrama de flujo básico para condiciones de aire 95

Ilustración 48. Distribución de ductos 103

Ilustración 49. Grafica de perdida de presión en ductos de aire 104

Ilustración 50. Chiller escogido 108

Ilustración 51. Torre de enfriamiento seleccionada y relleno laminar 109

Ilustración 52. Unidad manejadora seleccionada 109

Ilustración 53. Selección unidad manejadora en el almacenamiento 110

Ilustración 54. Unidad manejadora de entrada 110

Ilustración 55. Unidad manejadora en laboratorios 111

Ilustración 56. Unidad manejadora en espacios varios 111

Ilustración 57. Modelo 3d de diseño básico 112

Ilustración 58. Modelo 3d en planta de diseño básico 112

Ilustración 59 Curva bomba de torre de enfriamiento-chiller 114

Ilustración 60 Bomba de manejadoras 115

Ilustración 61 Curva de bomba chiller - torre de enfriamiento 115

Ilustración 62 bomba de alimentación a circuito Torre de enfriamiento-Chiller 116

Ilustración 63. Modelo 3D conexiones a detalle del chiller 118

Ilustración 64. Modelo 3D de tanque de suavizado 118

Ilustración 65. modelo 3D conexiones de UMA derecha 119

Ilustración 66. Modelo 3D UMA posición izquierda 119

Ilustración 67. Modelo 3D diseño de detalle de la planta 120

Ilustración 68. Cronograma final del proyecto 122

Ilustración 69. Tubería UMA retorno (Básico) 128

Ilustración 70. Tubería UMA ida (Básico) 129

Ilustración 71. Torre de enfriamiento retorno (Básico) 130

Ilustración 72. Torre de enfriamiento ida (Básico) 131

Ilustración 73. Conexión de chiller a UMA; cuarto de máquinas 132

Ilustración 74. Conexión a chiller de UMA de laboratorios 133

Ilustración 75. Conexión a UMAs entrada 134

Ilustración 76. Planos tubería chiller 135

Ilustración 77. Planos tubería UMA ramal derecho 136

Ilustración 78. Planos tubería UMA ramal izquierdo 137

Ilustración 79. Torre de enfriamiento subida 138

Ilustración 80. Torre de enfriamiento bajada 139

Ilustración 81.Vista 3D Bodega en Cype (exterior) 145

Ilustración 82. Vista 3D Bodega en Cype (interior) 145

Ilustración 83.Aislamiento de techo 146

Ilustración 84. Aislamiento de pared 146

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1 RESUMEN

En el siguiente informe se presenta el diseño del sistema de refrigeración de una bodega farmacéutica de 800m^2 en la ciudad de Barranquilla, el cual cumple con las normas de buenas prácticas de manufactura para el almacenaje de materias primas de gelatinas las cuales necesitan condiciones de 20°C con humedad relativa máxima de 55%. Para esto se evalúan alternativas de aislamiento térmico en las paredes de la bodega, identificando el aislamiento que trae consigo la mejor reducción de carga térmica comparado al precio de adquisición, así como la comparativa de instalar cielo raso en la bodega a través del software de simulación Cype. Con la mejor alternativa se procedió a seleccionar dentro del mercado las tecnologías capaces de cumplir con la necesidad de refrigeración tomando en cuenta principalmente chillers de agua vs chillers de aire, comparando precio, ventajas y desventajas de uno con respecto al otro para finalmente generar un modelo 3d con el uso del programa Solidworks representando la disposición de los equipos en la bodega así como el dimensionamiento de las tuberías necesarias para transportar el agua del chiller a las unidades manejadoras de aire. Se especifica de manera detallada los accesorios necesarios para llevar a cabo este proceso, así como los planos a detalle del recinto. Se propone una estrategia de control basada en el uso de válvulas y sensores de temperatura y humedad dispuestas de forma estratégica en los diferentes puntos de la bodega, viéndose limitado en la sintonización de la estrategia de control. Finalmente se hace entrega del presupuesto que conlleva este proyecto al igual que el tiempo estimado de finalización del proyecto, dándole como indicación al lector un estimado del presupuesto que conlleva montar este tipo de bodegas en la ciudad de Barranquilla para su posterior uso en un estudio de mercado para la posible implementación de este tipo de industria en la ciudad, como conclusión se presentan recomendaciones para mejorar la eficiencia energética del mismo y para mejorar el control de la humedad en la bodega.

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2 INTRODUCCIÓN

A causa de la reciente situación sanitaria a nivel global, la crisis en múltiples sectores de la economía tales como el comercio y el turismo han sido inevitables, no obstante, como se indica en Fortune Business Insights1, el sector farmacéutico, pese a la gran tragedia que esto conlleva, se ha visto muy beneficiado en materia económica, presenciando un incremento substancial tanto en el número de ventas, así como en sus proyecciones a lo largo de casi todo el año dos mil veinte (2020) y lo transcurrido de dos mil veintiuno (2021).

Con la inyección de dinero por parte de distintas entidades, y el aumento de consumo por parte de particulares que el sector ha presenciado durante el periodo de pandemia, muchas empresas alrededor del mundo han considerado la posibilidad de ampliar sus instalaciones con el fin de adaptar su capacidad de producción respecto a la nueva demanda de consumo de productos que ha acarreado la situación actual. Por supuesto, esta es una situación que no solo ha visto en países alrededor del mundo, sino también se ha visto reflejada dentro del país (Colombia).

En la ciudad de Barranquilla (Colombia), debido a sus condiciones geográficas, las temperaturas con las que se suele contar tienden a ser de las más altas del país, alcanzando, en gran parte del horario laboral tradicional, temperaturas que se encuentran fuera de los límites en los que se consideraría un entorno confortable según los datos recopilados por el instituto de hidrología, meteorología y estudios ambientales (IDEAM)2. Esto, sumado a las estrictas condiciones que requiere el manejo de ciertos productos destinados al consumo humano, elementos que abundan en el sector farmacéutico, plantea a priori un obstáculo para la expansión de este tipo de empresas en la ciudad.

Es por este motivo que la implementación de sistemas de refrigeración en estos sitios de trabajo pasa a ser, más que un deseo, una necesidad de peso a lo largo

1 Fortune Business Insights. Impact of COVID-19 on Pharmaceuticals Market Worth USD 2,151.1 Billion at 7.0% CAGR by 2027 Backed by Presence of Established Companies in North America. Globenewswire.com. [en línea]. (15 de enero de 2021). [Consultado: 15 de abril de 2021]. Disponible en: https://www.globenewswire.com/news-release/2021/01/15/2159132/0/en/Impact-of-COVID-19-on-Pharmaceuticals-Market-Worth-USD-2-151-1-Billion-at-7-0-CAGR-by-2027-Backed-by-Presence-of-Established-Companies-in-North-America.html 2 Instituto de hidrología, meteorología y estudios medioambientales (IDEAM). Metodología para el Cálculo del Confort Climático en Colombia [en línea]. (diciembre 1998). [Consultado: 10 de abril de 2021]. Disponible en: documentacion.ideam.gov.co/openbiblio/bvirtual/007574/Metodologiaconfort.pdf

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de toda la cadena de producción, almacenamiento, y posterior distribución, lo cual repercute y tiene consecuencias directas en la directamente la economía general de la empresa.

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3 FORMULACIÓN DEL PROBLEMA

3.1 Planteamiento del problema

Para este proyecto, se plantea el caso de una empresa del sector farmacéutico, la cual esté en proceso o en búsqueda de expandir su infraestructura con el objetivo de aumentar su producción, y así, satisfacer el incremento en la demanda de sus productos. Para ello debe expandir no solo la zona de elaboración y fabricación de sus productos, sino que; a su vez, debe de incrementar el espacio de almacenamiento que tiene destinado tanto para su materia prima, como para sus productos terminados.

Es en esta zona, la de almacenamiento, en la que se planea realizar un sistema de refrigeración que cumpla con las características y especificaciones que una empresa de este sector necesita.

Para ello se hará uso de un conjunto de bodegas ubicado en la ciudad de Barranquilla, las cuales se tomarán de referencia para algunos valores, no obstante, no se tomará como una referencia completamente debido al desconocimiento de algunos aspectos específicos tales como sus materiales de construcción, entre otros.

3.2 Descripción del problema

Una compañía del sector farmacéutico posee una bodega con dimensiones de alrededor unos novecientos sesenta y ocho (968) metros cuadrados (m2), la cual necesita ser refrigerada para cumplir con los estándares de buenas prácticas de manufactura de materias primas, a la vez que se protegen los distintos activos y componentes ya sean materiales o productos para fabricación o ya fabricados, los cuales deban ser almacenados.

3.3 Alcance

El presente proyecto está enfocado en el diseño de un sistema de climatización para una nave industrial de una empresa del sector farmacéutico, especializado en gelatinas, por lo que los requerimientos, así como las especificaciones, pese a ser extrapolables de manera general a otros casos, son únicas y exclusivas a las necesidades que dicha empresa posea o problemáticas que esta pretenda

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resolver, dado que diferentes productos pueden conllevar diferentes normas de almacenaje.

Para cumplir con ese enfoque es necesario tener en cuenta ciertos aspectos que se salen de los límites del proyecto pero que son necesarios a tener en cuenta para la correcta realización del mismo tales como el análisis estructural de la nave industrial, el cual lleva consigo un análisis correspondiente al área de ingeniería civil. Este análisis es necesario debido a que los equipos de refrigeración deberán ir instalados preferiblemente en el techo de dicha estructura. Dado que no es posible determinar esto, se asumirá que la capacidad portante del techo no es apta para soportar los equipos, por lo cual serán instalados a nivel de suelo y se diseñarán estructuras especializadas para los equipos que lo requieran.

Por otra parte, debe realizarse el diseño del sistema de climatización, para esto se debe de conocer la carga térmica que soporta el recinto, por lo que más análisis y simulaciones deben realizarse en pro de obtener la información suficiente para conseguir las condiciones de diseño. Una vez sea realizado el diseño del sistema de climatización, es necesaria la comprobación de que dicho diseño, en primera instancia, sea la mejor opción para suplir las necesidades que se presentan, así como también es prioritario el desarrollo y suministro de los distintos planos y configuraciones a detalle del sistema, de la misma forma se llevara a cabo un análisis de viabilidad técnica y económica del mismo, con el fin de que la empresa pueda conocer si su capacidad de producción es suficiente para compensar la inversión del proyecto.

Por último, se recalca que, si bien dentro del mismo proyecto se podrían llegar a plantear distintas recomendaciones al momento de la compra e instalación de los equipos o de la planificación respecto al desarrollo del proyecto, se debe aclarar que este tipo de recomendaciones no son en primera instancia un objetivo del proyecto, de la misma forma que no son una guía obligatoria que debe seguirse al pie de la letra, así mismo, se excluye como alcance del proyecto el seguimiento y/o desarrollo de este u otro proyecto similar de parte de la empresa implicada u otras, de tal manera que elementos específicos enfocados en la ejecución del proyecto se salen de los límites del proyecto.

3.4 Objetivos

Se presentan los objetivos del presente proyecto en función de la iniciativa concertada por el grupo de trabajo para resolver la problemática, esto adaptando

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sus necesidades o requerimientos a objetivos concretos que guíen los pasos a seguir del proyecto

3.4.1 Objetivo general

Diseñar un sistema de refrigeración para una nave industrial del sector farmacéutico que cumpla con los requerimientos estipulados para este sector

3.4.2 Objetivos específicos

Realizar los cálculos correspondientes para determinar el dimensionamiento de los equipos

Plantear y seleccionar el método de climatización más apropiado teniendo en cuenta la zona geográfica y las necesidades de la bodega

Explorar alternativas de reducción de carga térmica que complementen o mejoren el sistema de climatización

Realizar el diseño y disposición básico de las distintas alternativas se requieren para una posterior comparativa y selección de la mejor opción

Realización del diseño de detalle de la opción ganadora, incluir planos, costos, y posibles detalles de instalación

Realizar el análisis de viabilidad económico y práctica del sistema

3.5 Metodología

Para presentar una solución completa a la problemática se procede a realizar una investigación concreta sobre los sistemas de acondicionamiento de aire disponibles en el mercado en función de observar las opciones que cumplan los requerimientos y especificaciones planteados. En esta investigación se tiene como principal objetivo seleccionar y/o diseñar un sistema de acondicionamiento implementado en las naves industriales, cumpliendo con las mismas especificaciones. Para esto se utilizarán diversos catálogos de empresas con experiencia y calidad en el campo, como son York, General Electric, Daikin, Carrier, entre otras marcas.

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Por otro lado, se diseñará un intercambiador de calor que tenga el desempeño y la eficiencia requerida, tomando en cuenta sus medidas, materiales, mantenimiento, costo de fabricación, costo de instalación, entre otros detalles; De la mano de la literatura y de catálogos de maquinaria industrial, se tomarán los principios físicos y termodinámicos para tener en bases sobre los diseños preliminares. Para ello se utilizarán distintos softwares de diseño y simulación, como son Solidworks, Aspen Hysys, Cype para poder obtener un diseño detallado y específico del intercambiador.

Para el desarrollo de las actividades previamente expuestas, se presentan dos tipos de reuniones y dos metodologías de trabajo implementadas por el grupo. Para las primeras dos categorías mencionadas, la diferenciación principal radica en el objetivo de la reunión y en las personas involucradas.

Dicho de esta forma, la reunión de tipo A, como se le referirá de ahora en adelante, se realiza a fin de obtener asesoría o retroalimentación por parte de profesores involucrados en áreas afines a la temática del proyecto con el objetivo de brindar soporte, asistencia o una guía mediante la cual se desarrolle un mejor trabajo.

En la reunión de tipo B, los participantes eran únicamente integrantes del equipo de trabajo, de tal forma que su propósito principal era la repartición de tareas, evaluación de objetivos y revisión general de problemáticas o inquietudes relacionadas al proyecto.

Por otra parte, en las metodologías de trabajo encontramos la metodología 1; de trabajo individual, y la metodología 2; de trabajo colectivo, en las cuales, tal y como su nombre lo indica, se procedía a realizar las actividades suministradas con antelación en las reuniones de tipo B. Cabe mencionar que, debido a la heterogeneidad en la disponibilidad horaria de cada integrante, las metodologías de trabajo no contaban con un horario fijo, a diferencia de las reuniones tipo A y algunas del tipo B.

A continuación, se adjunta un cronograma con el registro de las actividades realizadas, utilizando la terminología previamente descrita.

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Ilustración 1. Metodología de reuniones

Fuente: elaboración propia

3.6 Cronograma

Ilustración 2. Planeación de proyecto diseño conceptual

Ilustración 3. Planeación proyecto ingeniería básica y de detalle

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4 MARCO CONCEPTUAL

4.1 Sistema de refrigeración industrial

El siguiente sistema de refrigeración a presentar es utilizado frecuentemente por industrias y empresas para climatizar ambientes de mediano y grandes espacios, por lo que las cargas térmicas son grandes y una máquina de acondicionamiento normal no cumple con lo requerido. Este sistema tiene el beneficio de ser poco contaminante y muy eficiente, debido al uso de agua como refrigerante principal y sumado a un diseño eficiente, el consumo es bastante bajo comparado con otros métodos para climatizar y refrigerar.

El sistema consiste en 3 circuitos térmicos cerrados y conectados entre sí, que funcionan de la siguiente manera:

Ilustración 4. Circuitos térmicos del sistema de refrigeración

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Para el detalle de funciones o acciones que se ven implicadas dentro de cada uno de los tres circuitos lo cual se puede evidenciar en las tablas 9, 10 y 11 que se presentan a continuación.

Tabla 1. Circuitos térmicos: Circuito 1

Circuito 1: Acondicionamiento de agua de condensación

Equipo Funcionalidad

Torre de enfriamiento

1. El fluido de trabajo (agua) proveniente del condensador del chiller, es ingresado a la torre y pulverizado para ser retirado el calor del ciclo de refrigeración.

2. El calor es retirado mediante un ventilador que impulsa aire a través de unas placas de PVC unidas, que benefician la transferencia de calor entre el aire y el agua, alrededor del 20% de esta agua se pierde por evaporación y es enviado a la atmósfera.

3. El agua ya refrigerada está contenida en una piscina en la parte inferior de la torre, lista para ser bombeada al condensador nuevamente.

4. Debido a la pérdida del agua por evaporación la concentración de agentes químicos de suavizado aumenta, produciendo la formación de incrustaciones en el agua, razón por la cual parte del agua es depurada como parte del proceso de mantenimiento, evitando la contaminación al interior de los equipos y del agua.

Chiller

5. El agua proveniente de la torre de enfriamiento ingresa al condensador, realizando un intercambio de calor con el refrigerante interno del chiller, cambiando su estado de vapor a líquido y reduciendo su temperatura.

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Circuito 2: Chiller


Condensador y Válvula de Expansión

1. El refrigerante pasa al condensador con el agua proveniente de la torre de enfriamiento, donde alcanza la temperatura de rocío y completa el proceso de condensación.

2. El refrigerante pasa por una válvula de expansión, en donde se lleva la temperatura y presión del refrigerante una vez más a las condiciones necesarias al evaporador.

3. El agua proveniente de la torre de enfriamiento es devuelta a la misma por medio de una bomba para volver a repetir el ciclo de enfriamiento.

Evaporador 4. El refrigerante se evapora debido al calor que absorbe del agua bombeada desde la unidad manejadora y es enviado al compresor.

Compresor 5. Al refrigerante proveniente del evaporador se eleva su presión y temperatura para generar un diferencial de temperatura con respecto al agua que viene de la torre de enfriamiento (∆T).

6. El refrigerante pasa al condensador con el agua proveniente de la torre de enfriamiento, donde alcanza la temperatura de rocío y completa el proceso de condensación.

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Para complementar la descripción del sistema, se presenta a continuación, la información de sus tres (3) equipos principales.

4.1.1 Chiller

Ilustración 5. Apariencia exterior de un chiller

Fuente: Carrier. AQUAEDGE ® 23XRV [Imagen]. Chillers enfriados por agua: Serie AQUAEDGE® [en línea]. [Consultado: 7 de abril de 2021]. Disponible en: https://carriercca.com/

Circuito 3: Acondicionamiento de aire


Unidad manejadora

de aire (UMA)

1. El aire caliente entra a la manejadora y es enfriado por medio de un proceso de transferencia de calor gracias al agua helada proveniente del chiller.

2. El agua que recibe el calor del aire es bombeada devuelta al evaporador del chiller lugar en el cual disipa el calor obtenido del aire y regresa nuevamente a la unidad manejadora.

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Dentro de las máquinas frigoríficas más utilizadas en la labor de la climatización, los enfriadores de agua o denominados chillers son equipos especializados en la refrigeración de agua en un circuito cerrado, en el cual se retira el calor que contenga el agua a través de un intercambiador de calor donde el fluido refrigerante tomará esta energía y la retirará de dos formas posibles: será retirado por medio de agua o por medio de aire disipando este calor al ambiente de forma directa.

Por la primera forma requerirá de una torre de enfriamiento, componente encargado de deshacerse del calor y que funciona por medio de un circuito de agua conectado a un intercambiador de calor que trabaja con aire, siendo este último el fluido refrigerante de este equipo; más adelante profundizaremos sobre esta tecnología. En la segunda forma, donde no se requiere de una torre de enfriamiento, el mismo equipo finaliza el ciclo de refrigeración utilizando aire impulsado por un ventilador ubicado en la misma máquina.

Una vez terminado el proceso de enfriamiento al interior del chiller, se conduce el agua refrigerada a la unidad manejadora de aire que se encarga del acondicionamiento de los espacios y garantizar la refrigeración adecuada para cada recinto. Esta unidad utiliza un intercambiador de calor que funciona por medio del agua proveniente del chiller, ya refrigerada y el aire que se encuentra en los espacios donde se desea climatizar. Se observa con más detalle esta tecnología más adelante. La forma en que estos equipos funcionan, consiste en circuitos de refrigeración internos que dependiendo del líquido refrigerante que utilicen tendrán la siguiente configuración:

Ilustración 6. Ciclo de refrigeración en chiller

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A partir de este esquema procedemos a analizar su funcionamiento por etapas que expliquen el proceso de enfriamiento y el ciclo de refrigeración que caracteriza a estos equipos.

4.1.1.1 Etapa 1: Evaporador

En esta etapa, se observa el intercambio de calor que sucede entre el refrigerante y el agua proveniente de los espacios acondicionados, la cual a aumentado su temperatura al retirar el calor de los recintos. El refrigerante entra al evaporador en un estado líquido saturado con vapor saturado y se evapora completamente, saliendo del intercambiador como vapor saturado totalmente, dirigiéndose al compresor.

4.1.1.2 Etapa 2: Compresor

Proveniente del evaporador, nos encontramos con el refrigerante en estado de vapor saturado ingresando al compresor. En esta etapa se comprime el vapor, para obtener un vapor sobrecalentado, en función de que la transferencia de calor sea mucho mayor al momento de ingresar al condensador. Con esta etapa el refrigerante en estado gaseoso sale del compresor con una alta temperatura y presión.

4.1.1.3 Etapa 3: Condensador

En esta etapa nos encontramos con un intercambio de calor entre el refrigerante a alta temperatura en estado gaseoso y el fluido que procederá a retirar el calor del respectivo proceso de refrigeración; dependiendo del equipo y requerimientos, será un sistema alimentado por aire o agua, el cual generará el intercambio con el refrigerante. A la salida del condensador obtendremos el refrigerante en un estado de líquido sub-enfriado a baja temperatura, listo para ir a la última etapa.

4.1.1.4 Etapa 4: Válvula de expansión

En esta última etapa antes de repetir el ciclo, consiste en reducir la presión del líquido sub-enfriado por medio de un dispositivo de expansión, el cual nos dará como resultado un refrigerante en una mezcla de líquido saturado con vapor saturado a menor presión, listo para comenzar el ciclo de nuevo, ingresando al evaporador.

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Esta es la funcionalidad principal de los chillers disponibles en el mercado actual, con variaciones en las configuraciones que posean, ya sean en sus intercambiadores de calor, como ejemplo, los intercambiadores de tubo y coraza que son frecuentemente utilizados en los chillers que utilizan agua en su etapa de condensación. Dependiendo del tipo de compresor que esté integrado en el equipo ya que tenemos a disposición compresores tipo tornillo, scroll, axiales, centrífugos, de paletas, entre otros a seleccionar. Dependiendo del equipo que compone la máquina, obtendremos una mayor capacidad de refrigeración para los requerimientos de diseño establecido.

Cabe resaltar que la mayoría de los enfriadores de agua disponibles en el mercado utilizan un intercambiador de calor indirecto, el cual produce la transferencia de calor a través de materiales sensibles a los cambios de temperatura y que su resistencia térmica sea bastante baja.

4.1.2 Torre de enfriamiento

Ilustración 7. Apariencia exterior de las torres de enfriamiento

Fuente: @DMLN. Torre de enfriamiento. [Imagen]. ¿Qué es una torre de enfriamiento? [en línea]. 20 junio 2016. [Consultado: 7 de abril de 2021]. Disponible en: https://glaciaringenieria.com.co/torre-enfriamiento/

Las torres de enfriamiento son un equipo destinado a la refrigeración de agua proveniente de equipos frigoríficos como son los chillers, en función de completar el ciclo de refrigeración, de manera tal en que se deshacen del calor retirado de todo el sistema de refrigeración. Por medio de un intercambio de calor directo entre el agua utilizada en la etapa de condensación del chiller, con el aire del medio ambiente impulsado por un ventilador, se logra retirar este calor. Las torres de enfriamiento son utilizadas en diversos procesos donde se requiera refrigeración de agua

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Las torres de enfriamiento, se suelen ver en muchos ambientes industriales que utilicen en sus procesos agua como refrigerante en sus producciones, máquinas, reacciones, instalaciones, entre otras utilidades donde se necesita mantener una temperatura en específico. En las plantas nucleares son una pieza fundamental para evitar posibles accidentes debido al sobrecalentamiento de los reactores, en plantas termoeléctricas, en plantas siderúrgicas, en destilerías de gran escala, en plantas petroquímicas; en cuestión, toda empresa que emplee procesos donde se necesite refrigerar grandes cantidades de agua, tendrá una torre de enfriamiento dentro de sus equipos.

El principio con el que las torres de enfriamiento logran su objetivo consiste en la aspersión de agua de forma en que se generen gotas finas y muy pequeñas por medio de boquillas con diámetros muy pequeños e inyectadas a la velocidad y presión suficiente para que el flujo de aire que entre en contacto con ellas, logre retirar el calor que estas contienen, provenientes del ciclo de refrigeración. Una parte de estas gotas tiende a evaporarse al momento de entrar en contacto con el agua, por lo que debe haber un sistema que mantenga los niveles de agua de la torre constante. Sumado a esto, tener un sistema de purga y purificación del agua dentro de la torre, en función de evitar el crecimiento de microorganismos, musgos y suciedad provenientes del ambiente.

En el siguiente esquema se explica la funcionalidad de una torre de enfriamiento de tiro inducido, debido a que es uno de los modelos más utilizados en el mercado y el que mayor eficiencia presenta con respecto a otros modelos (tiro forzado, flujo cruzado). Con esta explicación, se observa el funcionamiento básico del equipo:

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Ilustración 8. Esquema de funcionamiento de una torre de enfriamiento

Fuente: Arnabat, Idoia. Torre de enfriamiento de tiro inducido. [Imagen]. ¿Qué es una torre de refrigeración o enfriamiento? Funcionamiento y seguridad [en línea]. 17 agosto 2018. [Consultado: 7 de abril de 2021]. Disponible en: https://www.caloryfrio.com/refrigeracion-frio/que-es-torre-de-refrigeracion-enfriamiento-funcionamiento-seguridad.html

Como podemos observar en el siguiente esquema, tenemos un ventilador en la parte superior del equipo, seguido del separador de gotas que cumple con la función de recuperar el agua que se va evaporada por el contacto con el aire. Seguido encontramos las boquillas pulverizadoras encargadas de expulsar el agua en pequeñas gotas, al punto de partículas muy finas y pequeñas para facilitar el proceso de transferencia de calor. Después de las boquillas, está el relleno formado por láminas de PVC que conducirán las gotas a través de sus canales y mejoran la transferencia de calor agua-aire. Debajo del relleno, se encuentran las entradas de aire en los laterales de la estructura, que permiten el flujo de este mismo, impulsados por el ventilador ubicado en la parte superior. Por último, la piscina donde se contiene toda el agua ya refrigerada y lista para ser transportada al ciclo de refrigeración principal.

En estos equipos también podemos hallar sensores de nivel de la piscina, que se encarga de reponer el agua perdida por el proceso, permitiendo un flujo constante de este. Tenemos un sistema de purga de agua, para vaciar totalmente el equipo cuando se requieran trabajos de mantenimiento y un sistema que alimenta a la piscina los químicos necesarios para evitar la formación de microorganismos y

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mantener el equipo limpio. Estos equipos, junto a varias válvulas, sensores, motores internos, entre otros conforman en totalidad la máquina, participando intrínsecamente en el proceso de refrigeración.

El proceso comienza cuando el agua es vertida desde la parte superior de la máquina, siendo reducida o pulverizada hasta obtener la geometría de una gota muy pequeña y fina que procede a caer en bloques formados por láminas de PVC que se denominan “relleno”. Estos bloques están colocados para que el agua escurra y descienda por los canales que componen el relleno, generando una película superficial de evaporación debido a la corriente de aire con la que entra en contacto el agua. Estas gotas quedan adheridas a los canales y por medio de la acumulación de varias de estas, gotas más grandes se deslizan directo a la piscina.

Ilustración 9. Corte de seccion de torre de enfriamiento

Fuente: INGC ingenieria y capacitacion. Torre de enfriamiento de tiro inducido. [Imagen]. Torre de refrigeracion [en línea]. 12 Dic 2014. [Consultado: 18 de abril de 2021]. Disponible en: https://www.youtube.com/watch?v=pCQr8z_xDI4

En medio de la acumulación el aire fluye en medio de los canales, extrayendo el vapor de agua el cual contiene el calor a retirar del proceso, por lo que podemos observar muchas veces en la parte superior de la torre de enfriamiento, salir vapor de agua. Para reducir la pérdida de fluido, se coloca un separador de gotas el cual toma pequeñas gotas que el aire lleva en su flujo, conteniendo y acumulando estas pequeñas en forma de que se agrupen y aumenten su tamaño, para que al final se deslizan hasta la piscina. De la piscina, el agua es bombeada hacia el respectivo intercambiador de calor, para comenzar el ciclo una vez más.

https://www.youtube.com/watch?v=pCQr8z_xDI4

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4.1.3 Unidad Manejadora de Aire (UMA)

Ilustración 10. Apariencia exterior de una unidad manejadora de aire (UMA)

Fuente: Ruidong. Unidad manejadora de aire zk [Imagen]. Unidad manejadora de aire combinada [en línea]. [Consultado: 7 de abril de 2021]. Disponible en: https://glaciaringenieria.com.co/torre-enfriamiento/

Este equipo dentro de los sistemas de refrigeración, se encarga del intercambio directo del calor a retirar de los recintos a climatizar. Cumple con las funciones de distribuir, manejar, limpiar, refrigerar y acondicionar el aire destinado a los recintos requeridos bajo las condiciones de diseño que requiera el espacio; temperatura y humedad requerida, niveles de CO2 permisibles en el ambiente, la circulación de aire necesaria en el ambiente, entre otras condiciones.

La funcionalidad de este equipo consiste en movilizar el aire de un recinto a partir de un ventilador interno, que permite succionar el aire del espacio a climatizar. El aire succionado es pasado a través de uno o más intercambiadores de calor, dependiendo del diseño de la máquina, generando el intercambio indirecto de calor. Estos intercambiadores suelen ser serpentines en la mayoría de las manejadoras, por donde circula agua a bajas temperaturas, si el objetivo es enfriar el aire del recinto. El aire procede a reducir su temperatura y se genera un aumento de presión al pasar por la turbina, generando una diferencia de presión a la salida de la manejadora. A la salida de la manejadora se encuentran diversos sensores que miden la temperatura y la presión del aire, en función de controlar y medir el funcionamiento del equipo.

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Ilustración 11. Esquema de funcionamiento de una unidad manejadora de aire

Fuente: Schrader, Michael. Climatizador o unidad de tratamiento de aire (UTA) [Imagen]. En: Instalaciones térmicas y certificación energética Blog [en línea]. 21 octubre 2013. [Consultado: 5 de abril de 2021]. Disponible en: http://instalaciones-termicas.blogspot.com

En el esquema, se puede observar la funcionalidad básica del equipo, con el ingreso del aire a uno de los laterales de la máquina, pasando por el intercambiador de calor y llegando por último al ventilador, para ser devuelto al recinto. Acá podemos observar una pieza muy importante de los equipos y son los filtros; los filtros son uno de los equipos internos que garantiza la limpieza del aire que circulará en el recinto, por lo que es normal encontrar distintos tipos de filtros a lo largo de la máquina, para impurezas grandes como son el polvo y tierra en el ambiente hasta mallas más finas que retengan materiales más finos en el aire, como son el asbesto, arcillas, metales ligeros, entre otros componentes. Es importante realizar constantes revisiones para mantener el estado de los filtros óptimos y mantener un aire limpio en circulación.

4.2 Otros sistemas de refrigeración

Se presenta otra alternativa de refrigeración también usada, sin embargo, con mucho menos frecuencia que el primer sistema el cual es el más implementado y por ende el más comercial

4.2.1 Sistema VRF

Los sistemas de expansión directa o VRF (flujo de refrigerante variable) es un sistema de aire acondicionado central el cual usa una unidad de condensación

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externa para dar al refrigerante las condiciones óptimas y luego ser distribuido a múltiples unidades repartidas a lo largo de los espacios que se quieren refrigerar.

Este tipo de sistema está compuesto por equipos de generación térmica, red de distribución, climatizadores y sistemas de dos o tres tubos. El principio de funcionamiento de estos cuenta con un mecanismo que utiliza el aire del ambiente para evaporar o condensar un gas refrigerante, este a su vez es distribuido por tuberías para llegar a cada uno de los ambientes a refrigerar donde las unidades interiores se encargan de utilizarlos para enfriar o calentar según sea el caso. la principal ventaja de este sistema es que permite controlar el volumen de refrigerante enviado a cada unidad de refrigeración.

Con el fin de incluir no solo el estado actual de las tecnologías de refrigeración sino también de los otros tipos de tecnologías implementadas en el presente proyecto, a continuación, se presenta como se encuentra el desarrollo actual de las tecnologías de aprovechamiento de energía solar.

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5 DEFINICIÓN DE ESPECIFICACIONES

5.1 Revisión del estado del arte

5.1.1 Evolución de la investigación en el área

Como se menciona en Refrigeración C&C3, el inicio de la refrigeración o climatización, se remonta desde épocas muy lejanas respecto a lo que originalmente se tendría a relacionar este tipo de prácticas, de modo que incluso se posee el registro de prácticas relacionadas por parte de diversas civilizaciones. No obstante, el proceso de desarrollo técnico y más industrializado del proceso no llegaría hasta mediados del siglo XIX.

En instancias previas a lo que sería la constitución de las bases de los principios de refrigeración actuales, es posible observar, cómo su desarrollo estuvo fuertemente impulsado por la industria de la fabricación de hielo y la conservación de los alimentos. Industria la cual aprovechó el creciente número de investigaciones y patentes en el área para la elaboración de hielo de manera artificial, algunos de los eventos más destacables son:

Tabla 4. Evolución de la refrigeración

1748: Primeras experiencias de interés de las que existe constancia destinadas a alcanzar temperaturas frías son los experimentos realizados con éter en vacío en la Universidad de Glasgow por William Cullen

1802: El efecto de enfriar un gas al expandirse se teoriza en las leyes de compresibilidad de gases de Joseph Louis Gay Lussac, basado en las teorías de Robert Boyle.

1810: Se publica un texto, Oliver Evans, sobre ciclos de producción de frío por compresión y expansión de líquidos volátiles.

1816: Invención de la máquina Stirling, ya que aunque su artífice, Robert Stirling, no la aplicó a la producción de frío, sí se utilizaría con este propósito en años posteriores.

3 Refrigeración C&C. Historia de la refrigeración: Una breve reseña y su importancia para el hombre

[en línea]. (16 de agosto de 2018). [Consultado: 6 de abril de 2021]. Disponible en: https://www.refrigeracioncyc.com/

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1820: Michael Faraday alcanzó importantes logros licuando gases a base de encadenar fases de compresión y enfriamiento sobre un mismo gas.

1824: El conocido trabajo de Sadi Carnot debe también mencionarse dada la influencia que sus estudios sobre máquinas térmicas de ciclo directo ejerció también sobre las de ciclo inverso.

1834: John Herschel propuso por primera vez la utilización de la máquina de Stirling con ciclo inverso, es decir, con el objetivo de producir frío. Jacob Perkins presentó el primer diseño (que patentó) de máquina frigorífica de compresión, utilizando líquidos volátiles, para producir hielo. Jean Peltier descubre el efecto termoeléctrico que ha heredado su nombre.

1850: John Gorrie construye la primera máquina de fabricación comercial de hielo, máquina que además se utilizó para acondicionamiento de aire, sector en el que también fue pionera. 1851: James Harrison construye una máquina para congelación de carne en Australia con base en la patente de Alexander Catling Twining para un sistema de producción de hielo con éter.

1852: La idea propuesta por el termodinámico W. Thompson (Lord Kelvin), abriría años después otra vía de aplicación de las máquinas frigoríficas de ciclo inverso: su utilización como bombas de calor.

1859: Ferdinand Carré construye la primera máquina de refrigeración por absorción, utilizando amoniaco como refrigerante y agua como absorbente. comercializada posteriormente en 1866, utilizando agua y ácido sulfúrico.

1868: Charles Tellier construye la primera máquina frigorífica de compresión con gas licuable, en concreto, con éter metílico. Ocho años después construiría un barco frigorífico (“Le Frigorifique”).

1875: Raoul Pierre Pictet construye la primera máquina frigorífica con compresión de SO2. Carl Von Linde hace lo propio con amoniaco. Además, junto con Windhausen, construye la primera máquina de compresión de CO2.

1887: Albert Von Ettinghausen y Walter H. Nersnt descubren en la Universidad de Graz (Austria) el efecto magneto-termo-eléctrico o efecto Nersnt-Ettinghausen.

1890: Carl Von Linde propone el ciclo Linde para licuefacción de gases, el cual es mejorado nueve años después por G. Claude con el ciclo que lleva su nombre, al añadir una expansión isoentrópica. fundaría en 1907 la Linde Air Products Company con el fin de explotar su patente.

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1908: Leblanc y Westinghause diseñan y construyen la primera máquina de eyección, operando con agua como refrigerante.

1911: General Electric comercializa el primer frigorífico doméstico, denominado Audiffren.

1926: Electrolux compra las patentes de los suecos Baltzar Von Platen y Carl Munters y de Albert Einstein y Leó Szilárd, ambas máquinas de refrigeración por absorción, y comienza la comercialización del refrigerador doméstico Electrolux, posteriormente Dometic.

1928: General Motors descubre los hidrocarburos halogenados, como refrigerantes de buenas propiedades térmicas, comportamiento inerte y seguro, y posibilidades de abaratamiento tras una producción a escala industrial. (Este descubrimiento provoca una rápida sustitución de los refrigerantes hasta entonces usados).

1932: Wander Johannes de Haas enuncia en su tesis doctoral el efecto magnetotérmico, o de desmagnetización adiabática, que posteriormente Willem Hendrik Keesom logra llevar a la práctica en 1936 en el Laboratorio de Leiden (Holanda).

1940: Philips diseña una máquina por ciclo Stirling inverso que permite mantener temperaturas por debajo de los –100ºC. En los años 50 comienza a aplicarse el efecto Peltier a los semiconductores.

Fuente: Elaboración propia con base en Frío industrial y aire acondicionado (cita)

5.1.2 Tendencias

A día de hoy, el enfoque de investigación y desarrollo de los sistemas de refrigeración se basa en la búsqueda de mejores eficiencias en los procesos, búsqueda de alternativas a los procesos ya existentes o la adaptación de estos hacia sistemas basados en energías renovables, esto con el fin de optimizar y por ende disminuir el gasto energético que se produce globalmente debido a este tipo de sistemas, y a su vez, reducir la carga de gases de efecto invernadero al medio ambiente.

Algunas de las líneas de investigación en el área, las cuales de acuerdo a Samson y Echarri4 son:

4 Samson, I., & Echarri, R. (2004). Una alternativa para producción de frío con energía solar. Ciencia Y Sociedad, 29(1), 7-25. https://doi.org/10.22206/cys.2004.v29i1.pp7-25

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5.1.2.1 Refrigeración por compresión

Su funcionamiento se basa en comprimir un gas, ya sean refrigerantes o amoniaco, hasta licuarlo, esto con el fin de extraer calor por medio de un radiador, posteriormente el gas absorbe calor evaporándose en una cámara térmicamente aislada.

5.1.2.2 Efecto Peltier

Consiste en el enfriamiento producido mediante el paso de corrientes eléctricas a través de uniones de metales distintos, para ello se requiere de una buena selección de materiales, así como un correcto dimensionamiento de los componentes en contacto.

5.1.2.3 Refrigeración termoacústica

En esencia, se trata de un cilindro hueco el cual tiene sellado uno de sus dos extremos, al otro lado, se encuentra un diafragma vibrante, el cual produce una onda sonora que, gracias a una membrana porosa que reside en el medio del cilindro, genera cambios de presión dentro del cilindro, estos cambios de presión generan a su vez variaciones en la temperatura.

5.1.2.4 Refrigeración por absorción

Su principio está basado en múltiples ciclos en los cuales una sustancia, el soluto, es evaporada y a continuación disuelta en otra, el solvente. Esto mediante la evaporación del soluto en un evaporador y posterior absorción en el absorbedor. Continuando, esta mezcla es pasada a través de un generador en donde la mezcla es separada gracias al calor recibido. El soluto es pasado por un condensador y luego de su paso por una válvula de expansión, vuelve nuevamente al evaporador. Por otra parte, el solvente retorna al absorbedor.

5.1.2.5 Refrigeración por adsorción

Se basa en procesos de interacción entre materia en estado gaseoso y sólido. Por una parte, la adsorción, que ocurre cuando un gas es atrapado por un cuerpo solido liberando energía, y la desorción, la cual es el proceso contrario, la liberación de un gas atrapado dentro de un cuerpo sólido mediante la adición de calor.

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5.1.3 Limitantes

Actualmente en los procesos refrigeración industriales, de acuerdo al Registro Estatal de Emisiones y Fuentes Contaminantes5, se cuenta con una variedad de sistemas los cuales se catalogan desde el tipo de refrigerante usado, el método de intercambio de calor implementado, o su diseño.

Es por tal motivo que no existe un tipo de refrigeración ideal en cuanto a diseño o principio termodinámico se refiere, debido a que la gran variedad de estos permite su uso de acuerdo a las necesidades y condiciones que se presenten en cada instalación, gracias a esto, es posible el uso de una configuración que, en principio, pareciese ser menos eficiente y, sin embargo, resultase ser la ideal para el tipo de entorno en el cual se contempla realizar dicha instalación, razón por la cual es indispensable el conocimiento de los distintos tipos de refrigeración para lo cual se utilizará como base, la clasificación y las respectivas características expuestas en la tabla 2.

De modo simplificado, se hará explicación de los distintos sistemas expuestos en la tabla 2

5 Registro Estatal de Emisiones y Fuentes Contaminantes (PRTR). Refrigeración y vacío [en línea]. España. PRTR-es. (2020). Documentos de mejores técnicas disponibles (MTD). [Consultado: 6 de abril de 2021]. Disponible en: http://prtr-es.es/

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Tabla 5. Clasificación de los sistemas de refrigeración

Fuente: Registro Estatal de Emisiones y Fuentes Contaminantes (PRTR). Ejemplo de las características técnicas y termodinámicas de los diferentes sistemas de refrigeración que se utilizan en las instalaciones industriales (distintas de las centrales eléctricas). [Tabla]. Refrigeración y vacío [en línea]. 2020. [Consultado: 6 de abril de 2021]. Disponible en: http://prtr-es.es/

De la misma forma se presenta una tabla donde se pueden observar las ventajas y desventajas de los distintos equipos que pueden llegar a aplicarse

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Tabla 6. Tabla comparativa: ventajas de las unidades de refrigeración

Fuente: Elaboración propia

CHILLERS UNIDAD

MANEJADORA

UNIDADES

MULTISPLITS

TORRE DE

ENFRIAMIENTO

SISTEMAS VRF

Provee agua a la

temperatura

deseada con mucha

precisión.

Permite regular con

mayor precisión la

humedad relativa

del aire.

Bajo requerimiento

de espacio exterior

para la instalación.

Mejoran el

rendimiento de los

procesos de

enfriamiento

Facilidad de

instalación.

Puede extraer

grandes cantidades

de calor con menor

energía.

Elimina partículas

indeseadas en

forma directa.

Autodiagnóstico de

fallas.

Bajo consumo

eléctrico para

alcanzar la

disipación del calor.

Unidades de interior

estéticas.

Baja contaminación

del agua dado a

que se trata de un

circuito cerrado.

Evita la necesidad

de instalar múltiples

equipos en múltiples

habitaciones.

Fácil instalación

Requiere un caudal

de aire menor en el

proceso de

refrigeración

Bajo coste en

tuberías.

Baja pérdida de

agua por

evaporación.

Bajo coste de

mantenimiento

Bajo costo en

ductos.Bajo coste inicial. Menor coste inicial.

Baja necesidad de

espacio de

instalación.

Bajo ruido en las

habitaciones a

instalar.

Funcionan de forma

independiente.

Menor huella de

carbono.

Buen sistema de

control dado su gran

cantidad de

sensores.

Elimina la compra

de grandes

cantidades de

equipos para

refrigerar la misma

cantidad de

habitaciones.

Bajo riesgo por

fugas dado a usar

gas refrigerante en

bajas cantidades

dentro de la propia

máquina.

Bajo costo de

operación.

Fácil detección de

fugas

VE

NT

AJ

AS

41

Tabla 7. Tabla comparativa: desventajas de las unidades de climatización


Como otro aspecto a resaltar respecto a las limitaciones, no tanto de la tecnología sino más bien de la aplicación del proyecto, es necesario mencionar la limitante que la industria farmacéutica presenta en la ciudad de Barranquilla yace en las condiciones medioambientales de la ciudad, estas presentan condiciones extremas tanto de temperatura y humedad, representando un alto costo de refrigeración.

5.2 Revisión de patentes

5.2.1 Análisis de patentes

Dentro del desarrollo de las distintas tecnologías con fines de climatización de espacios, más concretamente su refrigeración, tenemos distintas patentes que nos explican las características principales que podemos encontrar en estas tecnologías, como son su estructura, materiales, funcionamiento y desempeño. Sumado esto, nos orientan en los elementos y sistemas disponibles en el mercado.

CHILLERS UNIDAD

MANEJADORA

UNIDADES

MULTISPLITS

TORRE DE

ENFRIAMIENTO

SISTEMAS VRF

Alto costo inicial.

Se requiere de

especialistas para

la instalación de los

ductos.

Requiere de otra

unidad que asegure

el control sobre la

humedad en el

ambiente.

Requiere agua con

tratamiento químico

para evitar

incrustaciones y

prevenir la

corrosión.

Complicado

detectar fugas

Requiere de

mantenimiento

especializado

Alto costo inicial.Mayor coste de

operación.

No permite

Cambios abruptos

en la temperatura

del fluido a

refrigerar.

Alto nivel de riesgo

por fuga dado a que

el gas utilizado es

toxico.

Se necesita agua

con un tratamiento

adecuado que

garantice la

limpieza.

Alto costo de

instalación.

No permite controlar

con exactitud la

temperatura de

salida del agua.

Uso industrial

limitado.

Requiere de otros

equipos para

controlar las

condiciones del

aire, tales como

humedad relativa o

partículas en

suspensión.

Requiere de fuente

externa de agua fría

para retirar calor del

aire.

No permite controlar

de forma precisa la

humedad

DE

SV

EN

TA

JA

S

42

5.2.1.1 Unidades Manejadoras de Aire

Estos equipos son el comienzo de la climatización y la refrigeración de cualquier proyecto que requiera mantener el aire a condiciones específicas, por lo que conocer sus componentes y funcionalidad como la patente presente de JOHNSON CONTROLS TECH CO donde podemos observar la implementación de un sistema de acondicionamiento de aire ubicado en el exterior de la edificación como se puede observar en la figura.

Ilustración 12.Patente CONTROLS TECH CO

Fuente: (Estados Unidos Patente nº CN106594877A, 2016)

En la imagen se aprecia como a partir de manejadoras de aire exteriores se procede a la distribución de aire refrigerado o calentado, en distintos puntos en la edificación, por medio de un sistema de tuberías alimentadas con agua. El invento está dirigido a una unidad de tratamiento de aire para su uso con un sistema refrigerado/calentado por líquido que extrae líquido de un sistema primario para su funcionamiento con la unidad manejadora de aire.

La unidad manejadora de aire ubicada en el exterior incluye una línea de suministro de líquido que extrae líquido de un suministro refrigerado del edificio. Por lo que podemos observar la distribución de los conductos que guiaran el aire refrigerado a los distintos espacios. Esta tecnología consiste en una unidad manejadora de aire destinada a ubicarse en espacios exteriores. Para espacios interiores se observa y analiza la siguiente patente presentada por CARRIER CORP que expone los

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componentes internos de una de sus manejadoras de aire destinada a la climatización de espacios con ubicación interna del equipo en el recinto.

Las manejadoras de aire se caracterizan de proveer un ambiente cálido o refrigerado dependiendo de lo deseado, manejando la pureza del aire, las partículas flotantes que se encuentren en este, humidificando o deshumidificando los espacios, asegurando la correcta circulación de aire en los recintos y las combinaciones que forman las tareas en conjunto antes mencionadas. Esto implica que internamente nos encontraremos con sistemas de rejillas para la dirección o flujo de aire, filtros que manejaras las impurezas del ambiente como son el polvo y metales pesados, la humedad que se requiera en el recinto y tuberías conectadas a intercambiadores de calor que proveerán del líquido refrigerante o calefactor, que controlara las temperaturas requeridas por el recinto.

Componentes que podemos encontrar como son los filtros y separadores de gotas, poseen una forma rectangular colocada ortogonalmente en la dirección del flujo de aire que circula a través de la manejadora de aire. Con frecuencia, en estas unidades se utilizan dos flujos de aire que circulan de manera horizontal, guiados por componentes verticales pertenecientes a la estructura del equipo.

Ilustración 13.Patente de sección transversal de unidad manejadora

Fuente: (Francia Patente nº CN109154451A, 2016)

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5.2.1.2 Chiller

Estos equipos son con frecuencia la fuente del proceso de refrigeración y/o calefacción que alimenta a otras unidades como manejadoras de aire, Fan coils, intercambiadores de calor, entre otros equipos. En este contexto se procede a realizar un análisis a patentes que aporten conocimiento bajo las condiciones de que el chiller sea alimentado por agua y que su único objetivo sea la refrigeración constante para una edificación en específico.

Bajo estas condiciones se analiza la patente suministrada por LG ELECTRONICS INC donde observamos los equipos que conforman la unidad del chiller junto a un método de control de este mismo; tomando como enfoque principal los elementos del equipo.

Ilustración 14.Ciclo de chiller

Fuente: (Korea Patente nº CN103968478A, 2018)

En esta patente se explica el funcionamiento de los equipos enfriadores de agua, conocidos como chiller, que implementan un circuito interno de refrigerante el cual, por medio de dos intercambiadores de calor, logra reducir la temperatura; en el primer intercambiador, el líquido refrigerante retira el calor que es transportado por el flujo de agua proveniente de una manejadora, evaporándose en el proceso. En el segundo intercambiador ingresa como vapor el refrigerante, para ser enfriado por agua proveniente de una torre de enfriamiento, condensado el refrigerante preparándolo para regresar al primer intercambiador y continuar el ciclo. En medio de estos ciclos el refrigerante en estado gaseoso ingresa a un compresor para aumentar su presión y temperatura y en su fase liquida pasa por medio de una

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válvula de expansión para entregar liquido saturado al intercambiador correspondiente.

Estos equipos son utilizados para la refrigeración de edificios de gran escala o para contrarrestar espacios con cargas térmicas muy grandes, debido a la gran capacidad de enfriamiento que manejan. Estos equipos representan una gran parte de la capacidad enfriadora de un sistema de refrigeración completa para edificaciones.

En aplicaciones para refrigeración de oficinas, centros comerciales, espacios industriales e inclusive en la aplicación de procesos como en el que observamos en la patente presentada por Robert N. Behrnes titulada “NITROGEN GAS WATER CHILLER APPARATUS” la cual nos presenta el siguiente sistema que aplica la tecnología de un chiller implementando como refrigerante nitrógeno gaseoso proveniente de un proceso de congelamiento de alimentos, específicamente frutas.

Ilustración 15.Patente "Nitrogen gas water chiller apparatus"

Fuente: (Estados Unidos Patente nº 5682753, 1997)

El equipo emplea el nitrógeno gaseoso producido por las gotas de nitrógeno que son roseadas sobre la fruta. Una vez el nitrógeno cae de la fruta, se gasifica y es utilizado para enfriar agua que es utilizada al mismo tiempo en el proceso de congelamiento de las frutas. Las frutas son rociadas con agua enfriada por el mismo

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nitrógeno que fue evaporando y que es dirigido hacia un espacio donde se encuentra un intercambiador de calor por el cual fluye el agua que se utiliza para rosear a las frutas. El nitrógeno en estado gaseoso refrigera el agua y a su vez una parte es liberado al ambiente.

El agua una vez que es dispersada sobre la fruta, cae hacia un reservorio, donde es bombeada de nuevo hacia un intercambiador de calor para ser refrigerada de nuevo y volver a ser dispersada sobre la fruta, siguiendo con el ciclo establecido. Cabe resaltar que el agua que se encuentra en este ciclo, posee una válvula de suministro para alimentar al ciclo en caso de que los niveles de agua se vean reducidos. En este caso observamos el concepto de un chiller de manera más amplia debido a que la fruta actúa como una clase de intercambiador de calor y una parte del ciclo complementa a unidad de chiller que proporciona el agua al sistema.

5.2.1.3 Torres de Enfriamiento

Esta unidad es la parte final de nuestros circuitos de refrigeración, desechando el calor que es tomado por las manejadoras de los distintos recintos a refrigerar y que es expulsado a la atmosfera directamente. Estos equipos son característicos de sistemas de enfriamiento de grandes capacidades, y en la industria podemos encontrarlos a grandes escalas, desde torres de enfriamiento para centrales nucleares, hasta espacios domésticos que implanten un sistema de refrigeración por agua.

Los componentes principales de toda torre de enfriamiento son observados en la patente presentada por CERAMIC COOLING TOWER CO, donde podemos observar dos secciones laterales con corte transversal del equipo en cuestión, una torre de enfriamiento con estructura de soporte de hormigón, con paneles de fibra de vidrio y un ventilador de tiro inducido.

Estos equipos están diseñados para retirar el calor que transporta el agua proveniente de algún proceso o maquina como son los chillers, a partir de un intercambio de calor directo utilizando el aire a temperatura ambiente y por medio de un ventilador que impulsa el aire a través del equipo. El agua a refrigerar es pasada por aspersores que se encuentran en la parte superior de la estructura y distribuyen el agua en gotas muy pequeñas, para caer sobre una seria de placas de fibra de carbono, donde el aire circulara al tiempo generando el contacto entre los dos fluidos generando el retiro de calor y expulsando este calor al medio ambiente.

47

Esta patente presenta una torre compuesta por una estructura de hormigón prefabricado que soporta el peso del equipo y el material de relleno. La parte superior del equipo, junto el peso del ventilador y sus partes son soportados por columnas de resina de poliéster reforzado con fibra de vidrio que se extienden a lo largo de toda la estructura. Los lados de la torra están compuestos por resina de poliéster reforzado con fibra de vidrio, con la única función de resistir su propio peso, cargas de viento y cargas sísmicas. Podemos observar una tubería de suministro que entiende hacia arriba de la maquina por medio del material de relleno y conectándose con el sistema de aspersores de la torre. El ventilador está ubicado sobre las tuberías de distribución de agua, que soportan el peso de este mismo al tiempo.

Ilustración 16. Patente "Ceramic cooling tower CO"

Fuente: (Estados Unidos Patente nº AT37948T, 1982)

Un aspecto muy importante sobre las torres de enfriamiento es la perdida de agua que se va adherida a los flujos de aire que entran en contacto con ella. En varias torres de refrigeración es común observar una clase de humo proveniente de la parte superior del equipo, donde se encuentra el ventilador generando el flujo del aire. Este humo consiste en ser vapor de agua y es generado a que pequeñas

48

partículas de agua se combinan con el aire al atravesar los distintos paneles que contiene la máquina, por lo que una parte considerable del agua es expulsada al ambiente en forma de vapor.

En la patente presentada por MARLEY COOLING TOWER CO se observa un diseño sobre la placa que cubre la parte superior del equipo y que tiene la dimensión del diámetro del ventilador. Sobre esta placa se aplica material de relleno con la función de atrapar las gotas que son arrastradas por la corriente de aire que se genera en la máquina.

Este suceso de que una parte de agua sea arrastrada por el aire está ligado al hecho de que se aplica un contraflujo entre estos dos fluidos; la dirección del aire es ascendente en este caso y la dirección del agua es descendente debido a que proviene de los aspersores que están ubicados en la parte superior. Para evitar una mayor pérdida del agua, en la patente observa se coloca del mismo material de relleno en la parte superior del equipo, por encima del ventilador con la función de retener parte de las gotas que han sido arrastradas; estas gotas se acumularan en las placas del material de relleno, las cuales tienen una forma geométrica interna que genera el deslice de estas gotas acumulándose varias de ellas entre sí, generando gotas más grandes que al final caerán al fondo de la máquina para ser transportadas a donde se requiera el agua refrigerada.

Esta adaptación, mejora el rendimiento en el consumo de agua de estos equipos ya que su uso es continuo y a grandes cargas térmicas, grandes cantidades de agua recorren este proceso por lo que la perdida representa un valor considerable dentro del ciclo. Esta es una de las razones por las que la torre debe tener un sistema de alimentación de agua para reponer los litros perdidos y mantener el ciclo de refrigeración estable.

49

Ilustración 17.Patente "Marley cooling tower CO"

Fuente: (Estados Unidos Patente nº US2003085477A1, 1982)

5.2.2 Normas y códigos

Este proyecto se basa en el anexo 2 del informe 40 de la OMS del comité de expertos para especificaciones de preparaciones farmacéuticas. En este anexo se dan las guías suplementarias para las buenas prácticas de manufactura para calentamiento, ventilación y acondicionamiento de aire ara áreas no estériles de dosificado farmacéutico. Se especifican las condiciones de filtración de aire, contaminación cruzada y condiciones de temperatura y humedad relativa en los recintos, así como las medidas de control de polvo, sistemas y componentes de recirculación de aire y mantenimiento.

5.3 Conclusiones

Dada las condiciones de la ciudad de Barranquilla es necesario un sistema de refrigeración completo que sea capaz de desalojar grandes cantidades de calor, por lo que se presupone que el costo energético de dicho sistema será alto en

50

comparación a otro ubicada en una ciudad con condiciones ambientales menos desafiantes. Sin embargo, dado el avance en la tecnología de refrigeración esta brecha de precio puede ir reduciendo con los años. De igual forma, así como la radiación solar en la ciudad representa un desafío para la refrigeración también trae consigo posibles soluciones que lleven a que la carga eléctrica pueda ser solventada con alternativas renovables como lo son la implementación de paneles solares que ayuden a suplir dicha necesidad energética.

Para definir y plantear de la manera más precisa las especificaciones, características o problemas a solventar por parte del proyecto, se implementarán dos metodologías ampliamente utilizadas como lo son una house of quality, matriz de datos que relaciona aspectos cualitativos que incumben las necesidades de los clientes o personas relacionadas al proyecto de una u otra forma. Y el listado de referencias de especificaciones, el cual, como su nombre lo indica, presenta a modo de lista las necesidades planteadas previamente en el house of quality, y les asigna las observaciones, necesidades o puntos de interés de parte del equipo de diseño, exponiéndolas a modo de objetivos.

51

6 ESPECIFICACIONES

6.1 Procesos y métodos utilizados

Para definir y plantear de la manera más precisa las especificaciones, características o problemas a solventar por parte del proyecto, se implementarán dos metodologías ampliamente utilizadas como lo son una house of quality, matriz de datos que relaciona aspectos cualitativos que incumben las necesidades de los clientes o personas relacionadas al proyecto de una u otra forma. Y el listado de referencias de especificaciones, el cual, como su nombre lo indica, presenta a modo de lista las necesidades planteadas previamente en el house of quality, y les asigna las observaciones, necesidades o puntos de interés de parte del equipo de diseño, exponiéndolas a modo de objetivos.

6.2 Definición de deseos o expectativas del cliente

Con el fin de lograr una mejor comprensión de los diferentes aspectos planteados en el QFD, se presenta a continuación una breve explicación de los ítems implementados en la zona de las necesidades o requerimientos del cliente, para ello, se tomaron en cuenta las necesidades de los productos o product needs mencionados por Breschi6 las cuales son:

FUNCIONALIDAD: Se requiere que el producto, en este caso el sistema de climatización, cumpla con los requerimientos de la empresa cliente a fin de resolver el problema en cuestión

PRECIO: El coste total de la adquisición e implementación de dicho producto debe permanecer dentro de los márgenes de presupuesto delimitados por el cliente.

CONVENIENCIA: Las verdaderas ventajas que podría traer la adquisición de este nuevo producto, si presenta más pros que contras.

EXPERIENCIA: Si se requiere de algún tipo de cuidados o conocimientos especiales para la operación y correcto funcionamiento del producto.

6 BRESCHI, ALLIE. 16 Types of Customer Needs (and How to Solve for Them). En: HubSpot Blog [en línea]. [Consultado:2 de abr. de 21]. Disponible en: https://blog.hubspot.com/

52

DISEÑO: El diseño del producto debe ser intuitivo y práctico con el fin de facilitar el trabajo del cliente, al mismo tiempo que se deben cumplir con requerimientos en el dimensionamiento del producto.

FIABILIDAD: El producto debe garantizar lo propuesto dentro de sus funciones, de tal forma que cumpla dentro de un rango de sus especificaciones siempre que se haga uso de este.

DESEMPEÑO: El producto debe desempeñarse de forma correcta con el fin de alcanzar sus objetivos.

EFICIENCIA: El producto o servicio debe ser eficiente tanto en el consumo de recursos para un mejor aprovechamiento de estos, así como en el tiempo que emplee para esto.

COMPATIBILIDAD: El producto debe ser compatible con las instalaciones u otros equipos del entorno en el cual está destinado a realizar su función, de tal forma que se adhiera a estos de una forma orgánica y no de manera disruptiva.

Los ya mencionados componentes en adición se encuentran desglosados en otros términos los cuales se encuentran en el QFD de la siguiente manera:

53

Tabla 8. QFD Segmento 1: Necesidades del cliente


Debido a la extensión del QFD y el limitado espacio dentro del documento, la imagen global será desglosada en otras más pequeñas las cuales se adjuntarán a continuación.

Intereses del cliente Descripción

Garantizar temperatura homogénea entre (15°C-25°C)

Garantizar humedad homogénea entre 45%-55%

Garantizar aire limpio de impurezas o particulas

Valor de componentes del sistema

Valor de instalación del sistema

Valor de transporte de componentes del sistema

Valor de mantenimiento de los componentes del sistema

Consumo de recursos (electricidad-agua)

Procesos de mantenimiento relacionados

Amortizable a diez (10) años

Tecnologias que cuenten con soporte en el país

Posibilidad de contar con capacitaciones para el uso del sistema

Distribución correcta de la refrigeración en el entorno

Diseño eficaz y simplificado

Sistema moderno e intuitivo

Porcentaje muy alto de disponibilidad del sistema en el año

Garantizar las condiciones aún en condiciones adversas

Labores de mantenimiento

Contar con componentes de respaldo en aquellos que lo requieran

Correcto dimensionamiento de los equipos

No presentar sobrecargas de trabajo en componentes

Trabajo continuo durante jornada laboral especificada

Perdidas de energia (directas-indirectas)

Consumo de agua

Alternativas de reducción de consumo energetico

Diseño no disruptivo respecto al ecosistema de la empresa

Alternativas de sitios de instalación de componentes

No sobrepasar la capacidad portante del techo

Volúmen a climatizar: 968m2 x 6m

9 Compatibilidad

3

4 Experiencia

5 Diseño

6 Fiabilidad

Conveniencia

7 Rendimiento

8 Eficiencia

1 Funcionalidad

2 Precio

54

Tabla 9. QFD Segmento 2: Desarrollo del house of Quality


Para la realización de este segmento del QFD se tuvo en cuenta la relevancia de los intereses del cliente descritos respecto a los distintos ítems del proceso de producción del proyecto (los listados en la parte superior en color azul), a estos se

1 🔺 2 🔺 3 🔺 4 🔺 5 🔺 6 🔺 7 🔺N

ive

l d

e im

po

rta

ncia

de

l

clie

nte

Po

rce

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Pe

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ño

Co

sto

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Tra

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Insta

lad

ore

s

Op

era

do

res

Ma

nte

nim

ien

to

(1 a 5) (%) (Kg) ($) (T) (O) (U) (C) (U) 73% 2% 5% 12% 12%

5 4,10% 0 3 0 0 0 6 6 5 0 3 5 5

5 4,10% 0 3 0 0 0 6 6 5 0 3 5 5

5 4,10% 0 3 0 0 3 6 6 5 0 3 5 5

3,71 3,04% 0 9 3 3 3 9 0 4 1 1 3 3

3,43 2,81% 0 9 0 3 3 6 3 4 1 5 1 1

3,02 2,48% 0 9 0 3 3 3 0 4 5 0 0 0

3,83 3,14% 0 0 6 3 3 6 9 4 1 1 3 4

4,25 3,48% 0 0 0 0 0 6 3 5 0 0 1 4

4,25 3,48% 0 0 9 0 3 0 9 5 0 0 5 0

3,65 2,99% 0 9 9 3 6 3 3 5 0 0 0 0

3,3 2,70% 0 3 6 3 3 3 3 3 0 3 4 4

3,3 2,70% 0 3 3 0 0 3 0 3 0 3 4 4

5 4,10% 0 0 0 0 3 3 0 5 0 3 5 5

4,32 3,54% 6 0 0 3 3 3 0 4 0 4 5 5

4,32 3,54% 0 0 0 0 0 3 0 4 0 4 5 5

4,85 3,98% 0 0 3 0 3 3 9 5 0 0 5 5

4,85 3,98% 0 0 0 3 0 3 3 5 0 0 5 5

4,73 3,88% 0 0 9 0 0 0 9 5 0 0 4 5

4,12 3,38% 6 6 6 0 9 3 6 4 1 2 4 5

4,85 3,98% 3 0 3 3 6 6 0 5 0 0 5 5

4,17 3,42% 3 3 6 0 6 3 3 4 0 1 5 5

4,95 4,06% 0 0 3 0 3 3 3 5 0 2 5 5

4,93 4,04% 0 0 0 0 6 3 3 5 0 4 4 5

4,37 3,58% 0 0 0 0 3 3 3 5 0 0 3 3

4,93 4,04% 3 3 3 9 3 3 3 5 0 4 4 5

4,64 3,80% 3 0 0 3 3 3 0 5 0 3 4 3

2,98 2,44% 6 0 0 3 3 3 0 3 3 5 1 3

2,64 2,16% 9 0 0 6 6 3 0 3 4 5 0 1

3,62 2,97% 6 0 0 0 3 3 0 3 4 3 5 5

1,39 1,98 2,34 1,54 2,93 3,73 3,30

8,09% 11,48% 13,62% 8,95% 17,01% 21,69% 19,15%

Nivel de importancia

Porcentaje de

importancia

Mejor + o - Stakeholders

55

les asignó valores de cero (0), tres (3), seis (6) y nueve (9), donde el valor más alto implica una importancia mayor.

Así mismo se observa del lado derecho (color amarillo) un panel con los stakeholders o nuestras “personas” de interés para este proyecto con las que se les asignó un valor del uno (1) al cinco (5) (a mayor el número, mayor la importancia) de acuerdo a la relevancia que implicaba para ellos cada ítem descrito inicialmente, con estos valores y con el porcentaje de peso o relevancia que estos tienen en el proyecto (encontrado en la casilla inmediatamente inferior a los nombres de los stakeholders) se obtuvo un puntaje de relevancia para cada ítem de los intereses del cliente (situado en la zona de la izquierda de color morado).

Por último, gracias a estas dos valoraciones, se encuentra en la zona inferior de la tabla (color verde) el peso o la relevancia de manera porcentual que cada uno de los ítems del proceso de producción (ítems azules). De modo que ahora se conoce la importancia de cada etapa del proyecto respecto a lo que espera el cliente.

Tabla 10. QFD Segmento 3: Relación de ítems de diseño y fabricación


En este apartado se marca con un asterisco (*) la relación entre los ítems del proceso de producción con respecto a ellos mismos, dicho de esta forma a mayor número de asteriscos (*) mayor será la relación entre los ítems.

Para una mejor apreciación y orientación de la vista general del QFD, este se encuentra en la sección de anexos bajo el nombre de “Anexos: Vista general QFD”

Procesos de mantenimiento

Selección de equipos *

Número de componentes * *

Reducción de carga térmica * * *

Esperanza de vida * * *

Costo de la instalación * * * *

Peso/tamaño * * *

1 🔺 2 🔺 3 🔺 4 🔺 5 🔺 6 🔺 7 🔺Mejor + o -

56

6.3 Definición de las especificaciones de ingeniería

Teniendo en consideración los requerimientos definidos por el cliente, la respectiva revisión del estado del arte y de la técnica, y por su puesto las condiciones del entorno de trabajo, es posible definir el nivel de cumplimiento con el cual se llevarán a cabo las diferentes necesidades expuestas para el sistema de climatización. Por lo cual, se presenta a continuación un breve listado con el que se busca analizar las necesidades del cliente expuestas previamente y enlistar algunas de las alternativas que a la necesidad que podrían encontrarse en el mercado, sumado al criterio ingenieril o al análisis de lo que se considera que se debe hacer para cumplir cada requisito

Tabla 11. Criterios de ingeniería para definición de especificaciones

Alternativas disponibles Criterio de ingeniería

1 Rangos de temperatura de (18°C - 45°C), Rangos de humedad amplios, Rango de filtros con variación de micras

Se opta por un valor de temperatura de 20°C y 55% de humedad, esto con el fin de satisfacer tanto las necesidades de almacenamiento como las de confort de las personas. Para el caso de los filtros se contemplan los de 0.2 a 0.3 micras quienes retienen la partícula del COVID

2 Rango de precios muy diversos dependiendo de la necesidad

Respecto a los costes, estos son proporcionales a los requerimientos que presente el sistema, no obstante, existirán variaciones de precios dentro de equipos que cumplan con las necesidades, por lo cual es importante realizar una comparativa entre las alternativas con el fin de obtener la mejor calidad precio

3

Los gastos referentes al sistema son dependientes y proporcionales a los componentes de este, sin embargo, dentro del mercado existen alternativas que pueden ayudar a reducirlos

Se tendrán en cuenta los consumos hídrico y energético del sistema a fin de que estos no resulten en gastos excesivos para el recinto

4 Existen variedad de marcas al rededor del mundo con sedes en Colombia

Con el fin de un mejor servicio postventa, se contará con marcas como York, Teva, Intercal entre otras que cuentan con una buena reputación a nivel global y a su vez presencia en Colombia

57

5

En el mercado se encuentra una gran cantidad de dispositivos y accesorios que nos ayuden a satisfacer todo tipo de necesidades, ya sean desde el control del sistema o su diseño

Se hará uso de numerosos accesorios en el apartado de tuberías a fin de evitar un diseño disruptivo con el ambiente, al mismo tiempo se hará uso de bombas con sistemas de control con el fin de reducir el número de componentes y facilitar las labores para todos los involucrados

6

En este apartado las practicas disponibles son las distintas labores de mantenimiento, así como el desarrollo del diseño con base en la durabilidad de los componentes o facilidad de acceso a los mantenimientos

Para este caso, se cuentan con distintos componentes críticos tal cual son las bombas, por lo que se opta por contar con bombas de respaldo con el objetivo de facilitar las tareas de mantenimiento y evitar situaciones de incumplimiento de sus funciones, al mismo tiempo se diseña el sistema para trabajar bajo la carga térmica critica (la más elevada del año)

7

Los equipos industriales en el mercado son diseñados para soportar distintas eventualidades, puesto que cuentan con factores de seguridad

Como manera de asegurar que estos equipos cumplan los requisitos que deben, se evitará la utilización de equipos de fabricantes sin presencia en Colombia o desconocidos, al tiempo que dentro del diseño del sistema se simulan las condiciones más criticas

8

El mercado ofrece distintas alternativas con bajo consumo de recursos, así como alternativas de recuperación de calor o alternativas de reducción de carga térmica

Para el diseño del sistema se contará primordialmente con la inclusión de alternativas de reducción de la carga térmica gracias al uso de aislantes, esto con el fin de reducir gastos (energéticos y económicos)

9

Existen alternativas de membranas acústicas a fin de reducir el sonido de los equipos, a su vez que distintas opciones de diseño para no obstaculizar el normal desarrollo de actividades cotidianas dentro de la locación

Se opta por trabajar en piso debido a que la inclusión de refuerzos estructurales no solo aumentaría el costo, sino que podría llegar obstaculizar el espacio interno, al mismo tiempo la ubicación de los distintos equipos jugará un papel importante teniendo en cuenta las distintas zonas de la nave industrial


58

6.3.1 Establecimiento de valores metas

hacia objetivos cuantificables y específicos que puedan ser tenidos en cuenta a manera de requisito durante el desarrollo del producto (sistema de climatización).

Por otro lado, cabe mencionar que la determinación de aspectos tales como los valores de temperatura y humedad, fueron determinados mediante las exigencias del proyecto, en conjunto con los rangos de confort según el instituto de hidrología, meteorología y estudios ambientales (IDEAM)

Ilustración 18. Condición de confort segun temperatura y humedad relativa

Fuente: Servicio Meteorológico Nacional de Argentina. Sensación climática de bienestar en función de la temperatura y la humedad. [tabla]. Metodología para el Cálculo del Confort Climático en Colombia. 1998. P. 11. [Consultado: 14 de abril de 2021]. Disponible en: https://n9.cl/hyv4c

59

6.3.2 Listado de especificaciones de ingeniería

Previamente a observar el listado de referencias de especificaciones, se hace la aclaración de los significados de algunos términos con el fin de mejorar su comprensión. Por lo cual tenemos que:

I: Ingeniería, o grupo de trabajo, es el conjunto de individuos que se encargará de resolver la problemática planteada por el cliente.

C: Cliente, puede ser una empresa o un particular, es quien presenta la problemática y quien contrata los servicios de ingeniería.

V: Valor meta, es el valor u objetivo al que se tiene planeado llegar o alcanzar.

P: Prioridad, hace referencia a la importancia de este punto sobre los demás.

O: Obligatorio, indica que la consecución o cumplimiento de dicho parámetro es indispensable.

D: Deseable, indica que la consecución o cumplimiento de dicho parámetro no es indispensable, sin embargo, en caso de lograrse o seguirse será un alivio más para la satisfacción del cliente.

Por último, vale recalcar que la elaboración de este listado se hizo con base en los ítems mencionados en las necesidades del cliente y en el establecimiento de valores metas previamente expuesto.

60

Tabla 12. Listado de referencia de especificaciones


6.4 Planificación del proyecto

Como evidencia de la planificación de la ingeniería conceptual se muestra el cronograma guía para el desarrollo de las alternativas.

61

Ilustración 19. Cronograma de Ingeniería Conceptual


62

7 DISEÑO CONCEPTUAL

7.1 Generación de alternativas

7.1.1 Metodología del diseño conceptual

Para el desarrollo del diseño conceptual o básico, existen múltiples estrategias que pueden llevarse a cabo, para este proyecto en concreto, las estrategias a seguir fueron la caja negra, el cual representa de manera simplificada a su máxima expresión la función del sistema de climatización, incluyendo los requerimientos y perdidas que este pueda tener durante el proceso; la caja transparente, la cual muestra a nivel detallado los agentes externos que influyen en el sistema, así como los procesos internos que deben ocurrir para conseguir pasar del estado 1 al estado 2; el análisis funcional, el cual muestra de forma esquemática las diferentes etapas de por las que pasa el sistema para producir el cambio de estado y finalmente el diagrama morfológico, con el cual se procede a mostrar de forma concreta los tipos de arreglos para definir las alternativas a evaluar.

7.1.1.1 Caja negra

En la siguiente imagen se presenta de manera simplificada a su máxima expresión la función del sistema de climatización, incluyendo los requerimientos y perdidas que este pueda tener durante el proceso.

Ilustración 20. Caja negra sistema de climatización


63

En donde el Estado 1 consiste en el aire en la condición ambiente, y el Estado 2 en las condiciones requeridas del aire refrigerado

7.1.1.2 Caja transparente

Ilustración 21. Caja transparente Torre de enfriamiento


Para una mejor apreciación de la caja negra, esta se encuentra en la sección de anexos de forma ampliada.

64

7.1.1.3 Análisis funcional

Ilustración 22. Diagrama de análisis funcional


65

7.1.2 Diagrama morfológico

Tabla 13. Diagrama Morfológico


7.1.3 Descripción conceptual de la alternativa 1

El camino seleccionado para la alternativa uno, siguiendo con el orden establecido en el diagrama morfológico es el siguiente:

Ilustración 23. Ruta de diagrama morfológico de alternativa 1


Continuando con la descripción de la alternativa, se presenta el diagrama de proceso elaborado según el diagrama seleccionado, cabe resaltar que este no es una representación cien por ciento fiel a la realidad debido a que su finalidad es la de dar a conocer lo básico en referencia a donde se llevan a cabo los procesos.

N° Subfunción Opción 1 Opción 2 Opción 3 Opción 4 Opción 5 Opción 6 Opción 7 Opción 8

1Refrigeración

de aireSistema VRF

Unidad

manejadora

independiente

Unidad

manejadora en

conjunto

- - - - -

2 Aislamiento Sin aislamiento techo occidente surtecho y

occidentetecho y sur

occidente y

sur

techo,

occidente y

sur

3Producción de

agua fría

Enfriamiento

por expansión

Enfriamiento

por absorción- - - - - -

4Expulsión de

calor

Chiller

enfriado por

aire

Torre de

enfriamiento- - - - - -

5Máquina de

flujo

Bomba

centrifuga

Bomba de

rotor lobular

Bomba de

paleta

Bomba de

pistón- - - -

6Válvula de

controlLíneal Isoporcentual

Apertura

rápida- - - - -

7Material de

tuberíaCobre PVC

Acero

inoxidable- - - - -

66

Ilustración 24. Diagrama de proceso alternativa 1


La alternativa uno consiste de un sistema de refrigeración y climatización, alimentado por agua con ciclos de agua cerrados y un ciclo de refrigerante cerrado interno. La alternativa consiste en la instalación de unidades manejadoras de aire en el recinto a refrigerar que funcionen utilizando como refrigerante agua proveniente de un chiller.

Seguido de las unidades manejadoras de aire, se conectan a través de distintas tuberías a un equipo enfriador de agua conocido como chiller, el cual consiste en un sistema compuesto por dos intercambiadores de calor de tubo y coraza (evaporador, condensador), una o varias etapas de compresión y una válvula de expansión, donde los dos intercambiadores trabajan con agua y el equipo internamente funciona con refrigerante.

Este equipo retira el calor del agua proveniente de las manejadoras por medio del refrigerante, el cual intercambia este calor con otro circuito de agua que conecta con otro equipo el cual es una torre de enfriamiento. La torre de enfriamiento retira el calor del refrigerante por medio de agua y este mismo equipo toma este calor y lo disipa en el ambiente por medio de un sistema donde refrigera el agua con aire impulsado por un ventilador. La carga a retirar de la edificación completa con todos los espacios corresponde a 194,7 KW.

67

A continuación, se anexan los desarrollos de presupuestos y cronograma de actividades a seguir para la presente alternativa

Tabla 14. Presupuesto de alternativa 1


68

Ilustración 25. Cronograma de alternativa 1



El camino seleccionado para la alternativa dos, siguiendo con el orden establecido en el diagrama morfológico es el siguiente:

Ilustración 26. Ruta de diagrama morfológico alternativa 2



69



La alternativa dos consiste de la implementación de un sistema de refrigeración y climatización agua-aire, donde se utilizan unidades manejadoras de aire en los espacios a refrigerar utilizando como refrigerante agua proveniente de uno o más chillers. Estos chillers funcionaran con un ciclo interno de refrigerante que tomara el calor extraído por el agua que conduce Manejadoras-Chillers, pasando por dos intercambiadores al igual que con la alternativa 1, con la diferencia que uno de estos intercambiadores de calor retirara el calor del refrigerante con el uso de aire impulsado por ventiladores incluidos en la máquina.

Este sistema al utilizar aire para retirar el calor del refrigerante y expulsar directamente el calor retirado al ambiente, no requiere de una torre de enfriamiento, por lo que el sistema de refrigeración culmina con este equipo. Un sistema que emplea menos equipos, pero se debe tener mayor control con respecto a los niveles de agua que almacene el chiller, ya que en esta modalidad de agua aire, el agua que circula en la manejadora-chiller, proviene de un reservorio ubicado en el chiller, el cual debe mantener unos niveles mínimos para el correcto funcionamiento del sistema. La carga térmica a retirar del sistema corresponde a 194,7 KW.


70

Ilustración 28. Cronograma de alternativa 2


71

Tabla 15. Presupuesto alternativa 2



El camino seleccionado para la alternativa tres, siguiendo con el orden establecido en el diagrama morfológico es el siguiente:




72



La alternativa tres consiste de un sistema de refrigeración y climatización alimentado por agua, compuesto por unidades manejadoras de aire, un chiller como sistema principal de refrigeración y una torre de enfriamiento que culmine con el ciclo. El sistema es el mismo en comparación a la alternativa 1, con la diferencia de que se implementa un aislamiento en la paredes y techo en función de reducir la cargar térmica, reducir la capacidad de los equipos, reducir el número de manejadoras debido a la reducción de carga y el ahorro energético en cuestión a lo que se deja de consumir para climatizar el recinto a comparación del sistema planteado en la alternativa 1.

El aplicar aislamientos a distintas partes de la edificación es una forma de aportar una reducción en la carga térmica que este soporta, por lo que los equipos seleccionados son menos costosos. Los aislamientos comprenden distintas fibras de vidrio aplicadas a la estructura, junto a la posibilidad de aplicar cambios a la estructura para agregar cámaras de aire que reduzcan la conductividad térmica del edificio en cuestión. Para esta alternativa el aislamiento que reducía la carga térmica en mayor cantidad fue el crear una cámara de aire en el techo que de 194,7 KW logra reducirla la carga a 133,5 KW.


73

Ilustración 31. Cronograma de la alternativa 3


74

Tabla 16. Presupuesto Alternativa 3



El camino seleccionado para la alternativa dos, siguiendo con el orden establecido en el diagrama morfológico es el siguiente:



75



La alternativa 4 consiste en un sistema de refrigeración y climatización que consiste en la implementación de unidades manejadoras de aire en los distintos espacios a refrigerar, utilizando agua como refrigerante para estos equipos conformando parte de un sistema de circulación de un ciclo cerrado de manejadora-chiller. El chiller se caracteriza por funcionar en su ciclo de refrigeración, utilizando aire para retirar el calor que obtuvo el refrigerante al intercambiar calor con el agua.

Con las mismas condiciones que la alternativa 2, se le agrega a esta alternativa la implementación de un aislamiento en la estructura en función de reducir la carga térmica a refrigerar de la zona. Aplicando un espacio de aire en el techo de la estructura se busca utilizar chillers de aire y manejadoras para reducir la carga térmica equivalente a 133,5 KW.


76

Ilustración 34. Cronograma alternativa 4


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Tabla 17. Presupuesto de la alternativa 4


7.1.7 Cálculos preliminares

Primero que nada, para la realización de los cálculos se debe de tener una nave industrial sobre la cual plantear ciertas características y/o especificaciones, para esto se tomó la siguiente bodega

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Ilustración 35. Bodega a Refrigerar

Fuente: Imagen tomada de Google Earth

De la cual se dedujeron datos necesarios para la elaboración de cálculos tales como la orientación de la nave industrial y las dimensiones básicas de la bodega, cabe recalcar que la bodega seleccionada es la primera de cuatro en total, contando de izquierda a la derecha. A continuación, una muestra de cómo se obtuvo la orientación de la nave industrial

Ilustración 36. Orientación nave industrial


Posteriormente se realizó un dimensionamiento y distribución interna de la bodega, con lo cual se trabajará a futuro tanto en

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De forma preliminar se establece la cantidad de calor a remover en cada alternativa teniendo en cuenta cada caso de aislamiento térmico.

Para ello se desarrollan una serie de simulaciones de carga térmica haciendo uso del software de Cype, en ellas se agrupan las distintas zonas del recinto en al menos cinco (5) las cuales cumplan con las mismas características y perfiles de uso como se puede apreciar en las siguientes imágenes

Ilustración 37. Simulación de cype, carga térmica en el laboratorio

Fuente: Elaboración propia; captura de pantalla tomada del software Cype

Zona de laboratorio, en esta área se realizará el pesaje de los productos y se analizarán sus características velando por una buena condición de estas de acuerdo a la normatividad, para posteriormente destinar la materia prima a la fabricación de un producto o a desecharse en caso de no cumplir con los estándares de calidad.

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Ilustración 38. Simulación de cype, carga térmica la entrada y oficinas varias

Fuente: Elaboracion Propia


Zona de estancias, en estas zonas el tráfico de personas será mucho mayor, incluyen oficinas, áreas comunitarias y las zonas de carga y descarga de material.

Ilustración 39. simulación cype, zonas de bajo flujo de personas

Fuente: Elaboración Propia


Estancias menores, así como su nombre lo indica, tienen similitud respecto a las estancias puesto que su propósito no es ser área de almacenamiento de materia

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prima o productos, sin embargo, no cuentan con un flujo grande de personas, o inclusive permanecen la mayor parte del tiempo desocupadas.

Ilustración 40. Simulación carga cype espacio de cielo raso



Espacio de aire, es importante recalcar esta zona puesto que es en esta donde se presenta la mayor carga térmica de la edificación, no obstante, este espacio se encuentra “vacío”.

Ilustración 41. Simulación cype, espacio de almacenamiento


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La zona de estantes, es en esta área donde se encontrarán los distintos estantes destinados al almacenamiento de la materia prima o fármacos que completaron su proceso de producción.

Posteriormente se realizaron distintas pruebas con y sin aislamiento, contemplando la utilización del aire, mediante la creación de un cielo raso y por ende un espacio de aire en el techo. Así como también la instalación de fibra de vidrio en las paredes de la edificación para reducir la carga térmica que este recibe directamente del sol. Para este último punto se consideró la instalación de la fibra de vidrio únicamente para las paredes occidente y sur, esto debido a que las temperaturas más altas se alcanzan durante el mediodía, cuando el sol impacta estas paredes debido a su trayectoria (amanece en oriente y anochece en occidente).

Se probaron distintas combinaciones de aislamientos dando los siguientes resultados:

Tabla 18. Resultados de simulación para alternativas de aislamiento.

Fuente: Elaboración propia con base en los resultados de las simulaciones Cype

A partir de estos resultados se realizó un análisis con el fin de obtener el costo de cada alternativa respecto a los KW de carga térmica que restaban a la nave industrial, obteniendo que el costo más bajo por KW reducido lo posee la alternativa más costosa, la cual a su vez es la alternativa que más carga térmica le resta a la nave industrial, tal como se puede ver a continuación.

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Tabla 19. Análisis costo beneficio de las alternativas de aislamiento


De esta forma se determina que la opción que mejor se entrega un mayor beneficio en términos del costo de implementación es aquella en donde solo se utiliza un cielo raso que funcione como cámara de aire, es por esto que se utilizara la carga térmica generada por esta alternativa para determinar el dimensionamiento de la maquinaria necesaria en cada alternativa y con esta las condiciones de los flujos. Se presenta a continuación el resumen de la carga térmica a refrigerar en cada instancia de la bodega en el día de máxima carga la cual será la condición de diseño.

Ilustración 42. informe de cargas térmicas a máxima carga


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Para más imágenes respecto a la simulación de cargas térmicas en Cype revisar la sección de anexos

A partir de este valor de calor se hace uso de la ecuación de intercambiadores de calor tomando en consideración únicamente la temperatura del aire de entrada y el valor objetivo, de esta forma podemos dimensionar de forma básica el tamaño de los equipos a utilizar para cumplir con la demanda de refrigeración. Dicho valor será usado como guía para iniciar la cotización de la maquinaria necesaria.

Ecuación 1

𝑄 = �̇�𝑐𝑝∆𝑇 (1)

De forma similar se busca en el mercado los equipos que sean capaces de remover esta cantidad de calor de las manejadoras, usando un factor de sobredimensionamiento de 1.25 para el chiller con respecto a las manejadoras y de igual manera de 1.25 de la torre de enfriamiento, esto para tener en cuenta las pérdidas de energía tanto en los ductos como en el compresor.

Tabla 20. Carga térmica de los equipos


7.2 Evaluación integral de las alternativas

En este segmento, se proseguirá con la visualización de los pros y contras de las distintas alternativas del sistema de climatización planteadas para el presente proyecto, para ello estas han sido divididas en los distintos puntos de interés o áreas del proyecto como lo son el área de refrigeración, el área de energía y el área de mantenimiento; la cual está enfocada en el tratamiento y consumo de recursos hídricos. A continuación, se procederá a mostrar dicha información mediante una serie de tablas comparativas con las cuales sea posible una visualización compacta y directa de la información de interés.

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7.2.1 Definición de criterios o factores de decisión

Con el fin de determinar una alternativa ganadora, es necesario que exista un método mediante el cual se mida el desempeño de cada una y se seleccione la alternativa que cumpla de mejor manera dicha evaluación.

Para ello es necesario una buena selección de los criterios, o factores de decisión, a los cuales serán sometidas a prueba las alternativas, razón por la cual, para este caso se tomará como referencia o puntos a evaluar, los aspectos mencionados anteriormente dentro de las secciones 7.2, definición de deseos o expectativas del cliente, y 7.3, Definición de las especificaciones de ingeniería.

Los distintos aspectos evaluados o a tener en consideración son principalmente:

El factor económico, punto clave debido a que estos determinan la extensión, el alcance y limitan las capacidades del sistema, un buen presupuesto es fundamental en el desarrollo de cualquier tipo de proyecto por lo que este factor se toma como el más perjudicial

La carga térmica a refrigerar, para este punto es imprescindible considerar que los equipos seleccionados deben de corresponder ante este tipo de requerimientos, por lo que, a mayor carga térmica, el dimensionamiento de los equipos, el número de estos y por ende el mismo coste se verá afectado, por lo que es preferible una menor carga térmica en este tipo de sistemas.

La armonía con el espacio, se debe tener en consideración aspectos como la obstrucción que puedan generar las distintas alternativas dentro de los espacios de trabajo o almacenamiento, así mismo resaltan otros aspectos tales como el ruido que generan los distintos componentes del sistema.

La sobrecarga de trabajo del sistema, en este punto es importante el buen dimensionamiento de los equipos y el sistema en general, a efectos de evitar sobrecargar alguno de sus componentes, esto puesto que el sistema de refrigeración es un elemento clave para las operaciones del sector farmacéutico y la constante sobrecarga a uno de los componentes o el mal dimensionamiento del sistema en general puede resultar en pérdidas muy grandes para la empresa.

Para evaluar los ítems mencionados se realizará una tabla en la cual se indicará el ítem junto con el grado de cumplimiento que se considera de la alternativa respecto

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a estos. Esta evaluación será en primera instancia de forma cualitativa y posteriormente cuantitativa en la matriz de selección.

7.2.2 Evaluación de la alternativa 1

Tabla 21. Evaluación alternativa 1

Esta evaluación se debe a que la alternativa cumple de manera aceptable como muchos de los ítems sin embargo al momento de evaluar las cargas del sistema, cumple el ítem de manera parcial esto debido a que, al no contar con ninguna estrategia de reducción de cargas térmicas, las toneladas de refrigeración necesarias para climatizar el entorno tienden a ser muy elevadas lo cual implica un sobredimensionamiento en las tuberías



El resultado de esta evaluación corresponde a qué el tipo de refrigeración implementada para este sistema tiende a quedarse por debajo de los requerimientos de refrigeración de la nave industrial, esto produce que, así como en la alternativa anterior los equipos tienden a ser sobredimensionado aumentando su costo y aumentando el riesgo debido a que éstos deben trabajar en un entorno en el que están constantemente forzados a trabajar casi al 100% de su capacidad total

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Para esta evaluación se obtuvieron unas muy buenas calificaciones en todos los ítems disponibles y esto es porque la alternativa combina la mejor propuesta de sistema de climatización mediante un chiller refrigerado por agua y una torre de enfriamiento a la vez que añade una estrategia para la reducción de la carga térmica de la bodega, es de esta forma que, si bien el factor económico o el impacto no es el más deseado, se obtienen otros muy buenos puntajes con respecto a las cargas del sistema (ya que ningún equipo se ve forzado a trabajar en exceso), y con respecto a las cargas térmicas lo cual ayuda a un correcto dimensionamiento de los equipos y por ende, a realizar un diseño más amigable o armonioso con el entorno



Dentro de esta alternativa si bien contamos con ese valor extra que nos añade la reducción de la carga térmica se recalca nuevamente que el sistema de refrigeración implementado no es el más óptimo para las toneladas de refrigeración necesarias para esta nave industrial, es por eso que el sistema cumple muchos de los ítems de una buena manera sin embargo el apartado económico puede verse un poco afectado debido a la necesidad de obtención de equipos (dentro de las consideraciones de este sistema), que logren satisfacer con cierto nivel de holgura las necesidades impuestas de este proyecto.

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7.2.6 Selección final

El siguiente sistema de refrigeración a presentar es utilizado frecuentemente por industrias y empresas para climatizar ambientes de mediano y grandes espacios, por lo que las cargas térmicas son grandes y una máquina de acondicionamiento normal no cumple con lo requerido. Este sistema tiene el beneficio de ser poco contaminante y muy eficiente, debido al uso de agua como refrigerante principal y sumado a un diseño eficiente, el consumo es bastante bajo comparado con otros métodos para climatizar y refrigerar.

7.2.6.1 Matriz de evaluación

Para el desarrollo de la presente matriz, se tomaron en cuenta distintos aspectos tales como el económico y los riesgos de cada alternativa, a su vez se les asignó un porcentaje de relevancia respecto a la toma de decisión tanto a estos como a los sub ítems de estos ámbitos

Tabla 25. Matriz de evaluación

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Ilustración 43. Gráficos de la matriz de evaluación

7.2.6.2 Conclusiones

A pesar de que las alternativas con chiller de aire se muestran interesantes debido a que ahorran equipos a comprar como puede ser la torre de enfriamiento y las bombas asociadas a este, se puede ver que traen consigo otras complicaciones que no pueden ser medibles a nivel económico, como lo puede ser el nivel del reunido que estas emiten, y teniendo en cuenta la cercanía de esta con las oficinas de la planta de almacenamiento se vuelve una opción inviable al momento de seleccionar esta alternativa. De igual forma se puede ver que el aislamiento térmico en el techo puede proveer el suficiente rechazo de calor como para justificar su implementación dentro de la bodega, caso contrario que pasa con los aislamientos en las demás paredes de la bodega, el cual a pesar de reducir la carga térmica de manera efectiva no merecen la pena en términos de inversión, ya que la carga que desalojan en comparación al precio de adquisición no es del todo rentable.

7.2.6.3 Modelo conceptual 3D de la alternativa ganadora

Una vez definida la alternativa ganadora como el sistema con torre de enfriamiento se plantea de forma conceptual un modelo en 3D donde se empiece a definir la posición de los equipos a usar.

Para los primeros diseños conceptuales se visualizó la idea de manejar distintos equipos por fuera de la bodega ya fuese en una habitación aparte y distante de la bodega en general, en esta residiría, primordialmente la torre de enfriamiento, esto

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debido a que por cuestiones técnicas el techo de la edificación no es aprovechable para la instalación de estos equipos, a falta de un estudio a profundidad de evaluación de la carga portante de la edificación, se optó por utilizar el terreno alrededor para la instalación de los diversos equipos.

No obstante, en otras versiones esta habitación fue usada también para el chiller, liberando no sólo espacio al interior, sino que evitando problemas de ruido y/o generación de calor. Para una mejor visualización de la idea a continuación se mostrarán la vista superior y lateral del modelo conceptual contemplado en un principio.

Ilustración 44. vista superior de diseño conceptual


Ilustración 45. Vista lateral diseño conceptual


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8 DISEÑO BÁSICO

8.1 Metodología: procesos y métodos

Para el diseño básico es necesario evaluar el proyecto desde dos ángulos, la carga térmica a desalojar, y el flujo de agua necesario para conseguir esto. Con el fin de conseguir esto se utiliza el software Cype para calcular la carga térmica a desalojar en cada uno de las estancias, ya que con este dato se puede realizar el dimensionamiento detallado de los equipos. Con esto se procede a realizar la selección de los equipos necesarios para llevar a cabo el proceso de enfriamiento del recinto. Conociendo las condiciones de trabajo (asumiendo como temperatura inicial la máxima histórica en la ciudad de Barranquilla) y la mínima la temperatura deseada se procede a utilizar las fórmulas de intercambio de calor para conocer el flujo másico de aire necesario en las unidades manejadoras para conseguir estas condiciones. Debido a que es necesario hacer circular el aire en las instalaciones debido a la normatividad de la industria farmacéutica es necesario recalcular las dimensiones de calor a desalojar teniendo en cuenta el número de cambios de aire por hora a realizar en cada una de las instancias, con estos cálculos podemos pasar a redimensionar los equipos a usar partiendo de los mismos criterios antes mencionados.

Finalmente conociendo el equipo a utilizar se conoce de igual forma los flujos de trabajo dados por el fabricante, con los cuales se procede a usar el modelo de Darcy-Colebrook para el correcto dimensionamiento de la bomba los sistemas de ductos de agua.

Para los cálculos necesarios para realizar el dimensionamiento de los subsistemas se presentan las diferentes ecuaciones necesarias para conseguir dicho objetivo.

Se parte con la ecuación de caudal

Ecuación 2

𝑄 =𝑉𝑑

𝑡𝑟 (2)

Ahora se presenta la ecuación de energía de Bernoulli la cual se aplica a fluidos incompresibles llevándose desde un depósito de aspiración hasta uno de descarga.

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Ecuación 3

𝑃1

𝜌𝑔+ 𝑍1 +

𝑉12

2𝑔+ 𝐻𝑏 =

𝑃2

2𝑔+ 𝑍2 +

𝑉22

2𝑔+ ℎ1−2 (3)

Donde 𝐻𝐵es la altura de la bomba y ℎ1−2 es la suma de las pérdidas de energía en los tubos ( ℎ𝑟 ) y accesorios (ℎ𝑘).

Para calcular las pérdidas de energía en los tubos (ℎ𝑟) dado un caudal Q y una tubería de diámetro D y longitud L se utiliza la ecuación de Darcy – Weisbach

Ecuación 4

ℎ𝑟 = 𝑓𝐿

𝐷 𝑉2

2𝑔=

8𝑓𝐿𝑄2

𝜋2𝑔𝐷5 (4)

Donde f se conoce como factor de fricción y depende del número de Reynolds (R)

y de la rugosidad relativa de la tubería ∈

𝐷 , calculándose con la ecuación de

Colebrook.

Ecuación 5

𝑅 =𝜌𝑉𝐷

𝜇=

𝑉𝐷

𝑣 (5)

Ecuación 6

1

√𝑓= −0.869 ln (

∈

3.7𝐷+

2.51

𝑅√𝑓) (6)

También puede usarse el diagrama de moody para determinar este factor

Por otra parte, la perdida de energía debido a los accesorios (ℎ𝑘) depende enteramente del cuadrado de la velocidad del fluido que pasa por ellos, siendo la ecuación:

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Ecuación 7

ℎ𝑘 =𝐾𝑎𝑐𝑐𝑉2

2𝑔 (7)

Donde 𝐾𝑎𝑐𝑐 se conoce como la pérdida del accesorio, dicha perdida es diferente para cada accesorio ya que depende de la geometría del mismo y se determina por medio experimental, usando tablas de referencia puede llegar a conocerse el valor de cada uno.

Finalmente, las perdidas en las tuberías (ℎ1−2) se obtienen sumando ambas ecuaciones, tomando (6) y (3) se obtiene que:

Ecuación 8

ℎ1−2 = ℎ𝑟 + ∑ ℎ𝑘 = (𝑓𝐿

𝐷+ ∑ 𝐾𝑎𝑐𝑐 )

𝑉2

2𝑔 (8)

Se determina la cabeza de la bomba mediante la formula

Ecuación 9

𝐻𝐵 = ℎ1−2 + ∆𝑍 (9)

Se selecciona la bomba mediante catálogos extrayendo de estos la eficiencia de la misma (𝜂), con este valor se procede a calcular el consumo energético que requerirá la bomba:

Ecuación 10

�̇�𝑏 =𝛾𝑄𝐻

𝜂 (10)

A partir de aquí se determina el costo de operación de las bombas multiplicando la potencia de las mismas por el número de horas que van a trabajar y por el precio del kWh.

Ecuación 11

𝐶𝐸 = �̇�𝑏 ∗ Δ𝑡 ∗ 𝐶𝑘𝑊ℎ (11)

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Con esto se compara el costo de operación de la bomba más el costo de adquisición de las tuberías para determinar el diámetro de tubería que representa inversión económica más eficiente.

En el caso del subsistema de la unidad manejadora se vuelve necesario utilizar las fórmulas de balance de masa, en las cuales se toma en cuenta la condición del aire en cada uno de los tramos, ya que se trata de una mezcla de aire

8.2 Diseño básico alternativa ganadora

Ilustración 46. Diagrama de flujo básico para alternativa ganadora


En este diagrama se puede observar los distintos subsistemas que hacen parte del sistema de acondicionamiento de aire los cuales comprenden el ciclo de agua refrigerada por el chiller, una bomba que se encargue de aportar energía mecánica al fluido, y una válvula de control encargada de regular el flujo de agua a la manejadora en función de la necesidad del ambiente. Cabe destacar que en caso de requerir más unidades manejadoras estas se conectarían en paralelo a la bomba presentada y se regularía el agua que fluye a través de cada manejadora con sistema de control por válvula.

El subsistema 2 consta del método de producción de agua fría en el chiller, el cual rechaza el calor adquirido por el agua de control en las unidades manejadoras, en

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el evaporador del chiller el refrigerante recibe el calor ganado, reenviando el agua fría hacia las unidades manejadoras.

Finalmente, el subsistema 3 consta de la forma en que se rechaza el calor del refrigerante en el condensador, el cual realiza intercambio de calor con el agua de la torre den enfriamiento y esta a su vez realiza un proceso de enfriamiento por evaporación donde el calor adquirido por el agua es rechazado al ambiente.

De igual forma a continuación se muestra el esquema básico del sistema de ventilación. Para esto se toma en cuenta que, debido a las condiciones de la ciudad, parte del aire refrigerado por la unidad manejadora debe retornar y mezclarse con el aire ambiente, reduciendo la carga térmica necesaria para enfriar el aire de suministro a la manejadora.

Ilustración 47. Diagrama de flujo básico para condiciones de aire

Fuente: (Solano, 2021)

Con las condiciones de los flujos establecidas se procede a mostrar las ecuaciones tomadas en cuenta para la realización del dimensionamiento de los ductos de aire.

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Ecuación 12

𝑆𝐶𝐹𝑀1 =𝐶𝐹𝑀1 ∗ 𝑉𝑆𝑡𝑎

𝑉1 (12)

Ecuación 13

𝑆𝐶𝐹𝑀𝑇 = 𝑄𝑆/(1.1 ∗ (𝑇2 − 𝑇5) (13)

Ecuación 14

𝑆𝐶𝐹𝑀2 = 𝑆𝐶𝐹𝑀𝑇 − 𝑆𝐶𝐹𝑀1 (14)

Ecuación 15

𝑊5 = 𝑊2 −𝑄𝐿

4840 ∗ 𝑆𝐶𝐹𝑀𝑇 (15)

Ecuación 16

ℎ3 =(𝑆𝐶𝐹𝑀! ∗ ℎ1 + 𝑆𝐶𝐹𝑀2 ∗ 𝑤2)

𝑆𝐶𝐹𝑀𝑇 (16)

Ecuación 17

𝑤3 =𝑆𝐶𝐹𝑀1 ∗ 𝑤1 + 𝑆𝐶𝐹𝑀2 ∗ 𝑤2

𝑆𝐶𝐹𝑀𝑇 (17)

Ecuación 18

𝑄𝑆𝑀 = 1.1 ∗ 𝑆𝐶𝐹𝑀𝑇 ∗ (𝑇3 − 𝑇5) (18)

Ecuación 19

𝑄𝐿𝑀 = 4840 ∗ 𝑆𝐶𝐹𝑀𝑇 ∗ (𝑤3 − 𝑤5) (19)

Ecuación 20

𝐶𝐹𝑀𝑇 =𝑆𝐶𝐹𝑀𝑇 ∗ 𝑣3

𝑉𝑆𝑇𝐴 (20)

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8.3 Análisis de riesgos

Antes de proceder con el cálculo de los sistemas se hace necesario establecer los riesgos que nos podemos encontrar en el desarrollo de la implementación del proyecto. El método usado para implementar este análisis fue llevado a cabo a través de una lluvia de ideas entre el grupo de trabajo, el cual sugirió posibilidades a tener en cuenta en el ejercicio del proyecto, de igual forma en conjunto se estableció los valores de probabilidad de ocurrencia y escala de impacto según las indicaciones dadas a continuación.

Tabla 26 Indicadores de probabilidad

Fuente: Elaboracion propia

Tabla 27 Indicadores de impacto

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Con estos indicadores y la lluvia de ideas para determinar posibles causas de falla se estableció el siguiente cuadro de análisis de riesgo

Tabla 28. Análisis de riesgos

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Finalmente, con esto se procede a graficar según lo mencionado anterior cada una de las posibilidades en una matriz de riesgo.

Tabla 29. Matriz de riesgo


8.4 Cálculos del sistema

8.4.1 Dimensionamiento de tuberías

Para el dimensionamiento de las tuberías es necesario aplicar el análisis de diámetro económico, con este se busca comparar el costo de operación de la bomba contra el costo de adquisición de tuberías de mayor diámetro. Teniendo en cuenta que entre menor sea el diámetro de una tubería menor será el costo unitario por metro de la misma, sin embargo, aumentara la presión exigida por parte de la bomba y por ende también el consumo eléctrico de la misma. Para esto se recurre a la ecuación (7) que al usarla y reemplazándola en (2) se puede obtener la cabeza de la bomba. El primer paso será obtener el factor de fricción de las tuberías, este se obtiene mediante la ecuación (5), utilizando 0.0015 mm como rugosidad del pvc (poner

referencia) y 1.519𝑥106 𝑁𝑠

𝑚2 como viscosidad cinemática la cual es la relacionada a

una temperatura de 5°C. Este es un cálculo iterativo por lo que se utilizará el software Excel para calcular con exactitud este valora al menos un error de +- 0.5%,

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cabe resaltar que debido a que este valor depende de la velocidad del fluido este tendrá que ser recalculado para cada diámetro a evaluar. A continuación, se muestra un resumen de los resultados del cálculo de cada factor de fricción para tuberías de pvc de alta presión con diámetros nominales de 2”; 2 ½ “ ; 3” y 4” :

Tabla 30. Cálculo de factor de fricción en tuberías


Con el valor del factor de fricción se procede a calcular el costo de la adquisición de cada tubería teniendo en cuenta que la longitud total de la tubería es de 200m y el precio de cada seis metros se resumen en el catálogo del proveedor. Se utiliza el procedimiento de diámetro económico para determinar la mejor adquisición, el cual se determina como tuberías de 4in de diámetro sch40.


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8.4.2 Dimensionamiento de conductos

Para el dimensionamiento de los conductos de aire se aplican las ecuaciones de flujo de masa para determinar la cantidad de energía que las unidades manejadoras deben refrigerar, para esto se toma en cuenta la cantidad de cambios de aire que deben ocurrir en las instalaciones por hora los cuales son dados por el informe 40 de la OMS en el anexo 2, estimado en 20 cambios por hora.

Tabla 31. Cálculo de caudal volumétrico en los recintos


Una vez obtenido los valores de aire a suministrar a cada habitación y el aire a retirar, se calculan las condiciones de dicho aire para finalmente calcular el calor total que debe ser retirado y el volumen de aire que debe ser suministrado para que esto sea posible.

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Tabla 32. Cálculo de carga térmica en cada recinto


Finalmente, con estos datos se procede a hacer el dimensionamiento de los ductos de refrigeración, para esto se presenta el siguiente esquema con la consideración de distribución de los mismos.

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Ilustración 48. Distribución de ductos


Una vez definido los tramos se utiliza el procedimiento de velocidad constante para asegurar una velocidad de 10m/s en los tramos donde existe acumulación de polvo, para este procedimiento primero se establece el área que debe tener los ductos para mantener la velocidad requerida, con esto se hace uso de la gráfica de perdida de presión por fricción para determinar el diámetro apropiado que deben tener los ductos para cumplir la condición de velocidad, de igual forma se determina el factor de fricción que tendrá dicho ducto para finalmente compararlo con la tabla de

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conversión de diámetro circular a ducto rectangular, aplicando el correspondiente factor de fricción.

Ilustración 49. Grafica de perdida de presión en ductos de aire

Fuente: (CoolProject, 2016)

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Tabla 33. Conversión de diámetro de tubería a ducto rectangular

Fuente: (CoolProject, 2016)

A continuación, se muestra el cálculo para cada ducto seleccionado aplicando el procedimiento anterior.

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Tabla 34. Dimensionamiento de ductos de aire


8.4.3 Características de equipos a seleccionar

Teniendo en cuenta los cálculos previamente expuestos se redimensionan los equipos a usar teniendo en cuenta la cantidad de calor que debe desalojar cada unidad manejadora y el total de calor a remover entre todas estas. Finalmente se

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usa un factor de sobredimensionamiento de 1.25 entre las manejadoras y el chiller debido a las perdidas por transporte. De igual forma se da un sobredimensionamiento entre el chiller y la torre de enfriamiento de 1.25 debido a las perdidas en el compresor.

Tabla 35. Carga térmica a desalojar por cada equipo


8.4.4 Selección de equipos

8.4.4.1 Selección de chiller

Tabla 36. Selección de chiller

Fuente: (York, 2016)

Se selecciona el chiller CDCDGX de la marca york el cual utiliza refrigerante R134a y garantiza eficiencias de clasificación 8 según la escala EER europea, llegando incluso a 9 en los días en que se exija menor carga térmica.

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Ilustración 50. Chiller escogido

Fuente: (York, 2016)

8.4.4.2 Selección de torre de enfriamiento

Tabla 37. Seleccion de torre de enfriamiento

Se selecciona la torre de enfriamiento de la empresa Teva modelo TVAE 085 (ilustración 52 izquierda) con relleno laminar standard TEVAFILM (ilustración 52 derecha) el cual está formado por láminas de PVC moldeadas al vacío, adecuadas para aguas limpias.

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Ilustración 51. Torre de enfriamiento seleccionada y relleno laminar

Fuente: (Teva, 2016)

8.4.4.3 Selección de unidades manejadoras

Para las unidades manejadoras se utilizan las producidas por el fabricante Intercal las cuales cumplen con la necesidad de la planta tanto en capacidad de calor a retirar como con el manejo de

Ilustración 52. Unidad manejadora seleccionada

Fuente: (Intercal, 2014)

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8.4.4.3.1 Unidad manejadora de almacenamiento

Ilustración 53. Selección unidad manejadora en el almacenamiento


8.4.4.3.2 Unidad manejadora en entrada

Ilustración 54. Unidad manejadora de entrada


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8.4.4.3.3 Unidad manejadora en laboratorios

Ilustración 55. Unidad manejadora en laboratorios


8.4.4.3.4 Unidad manejadora en espacios varios

Ilustración 56. Unidad manejadora en espacios varios


8.5 Modelo 3d del diseño básico

A continuación, se presentan algunas vistas del diseño básico del sistema de refrigeración

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Ilustración 57. Modelo 3d de diseño básico


Ilustración 58. Modelo 3d en planta de diseño básico


Los planos de las tuberías del diseño básico pueden encontrarse en la sección de anexos

8.6 Método de optimización

El mayor problema que tiene este diseño es que las condiciones de la ciudad de Barranquilla en algunos días pueden llegar a manejar una humedad relativa muy superior al 55% la cual es la humedad de diseño con la cual las unidades manejadoras suelen trabajar, esto podría acarrear problemas en el control de humedad en la bodega, para solucionar esto se propone instalar de manera

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adicional una etapa de pre-deshumidificacion en cada unidad manejadora, esto con el fin de entregar a las unidades manejadoras un flujo con condiciones estándar que permitan asegurar el correcto tratamiento del aire.

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9 DISEÑO DE DETALLE

9.1 Metodología: procesos y métodos

Una vez seleccionado todos los equipos a utilizar y habiendo dimensionado los ductos de forma básica se procedió a añadir todos los accesorios necesarios para la distribución del agua en todo el recinto. Para esto se utilizó la herramienta SolidWorks routing en el apartado de piping, la cual, permite añadir diferentes accesorios en medidas estándar a sistemas de tuberías, esto con el fin de realizar un diseño lo más cercano a la realidad posible. Finalmente, con el nuevo dimensionamiento de las tuberías y teniendo en cuenta los flujos de agua necesarios para cada tubería se recalculo la cabeza de las bombas para finalmente seleccionar dichos elementos de flujo.

9.2 Selección de bombas

Bomba de agua fría entre torre de enfriamiento y chiller La alternativa seleccionada es la bomba Maldemi Línea Proceso ANSI 2196 1 1/2 x3-13 A20 - MTO/LTO 5 alabes 3500 Rpm y diámetro de rotor 330

Ilustración 59 Curva bomba de torre de enfriamiento-chiller

Fuente: (Hidromac, 2015) Bomba que alimenta los tramos de alimentación de ida para manejadora derecha, izquierda y tramo de ida del chiller.

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Ilustración 60 Bomba de manejadoras

Fuente: (Hidromac, 2015)

Maldemi Carcaza Partida 5x6x12A 125-310A diámetro de rotor 315 mm, 350 HP, 3500 RPM: Bomba que alimenta los tramos de retorno de las manejadoras derecha, izquierda y chiller.

Ilustración 61 Curva de bomba chiller - torre de enfriamiento


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Maldemi Carcaza Partida 4TU10/2 100-250/2 2 Etapas, diámetro del rotor 254 mm, 200 HP, 3500 RPM.

Bomba seleccionada para el suministro de Torre de Enfriamiento-chiller, tuberías de Ida.

Ilustración 62 bomba de alimentación a circuito Torre de enfriamiento-Chiller


Maldemi Centrifuga AZ 2 1/2x3x9A 65-200A, diámetro del rotor 220 mm, 3500 Rpm, 40 HP.

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9.3 Planos detallados

Tabla 38. Lista de planos en anexos


Las tablas con los cálculos correspondientes para determinar las pérdidas se encuentran en la sección de anexos.

9.4 Modelo 3D

A continuación, se presentarán algunas imágenes del modelo 3D realizado en el software de SolidWorks, en estas se podrán observar con mayor detalle los sistemas de tuberías interconectados entre sí

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Ilustración 63. Modelo 3D conexiones a detalle del chiller


En la presente imagen vemos el sistema de tuberías, bombas y válvulas que van conectadas directamente al Chiller y que hacen las veces de intermediario entre éste y las unidades manejadoras de aire (UMA). Desde esta misma perspectiva es posible decir que las dos bombas situadas al lado derecho son las bombas que se encargan de impulsar el agua hasta las UMA, Por otro lado, las dos bombas situadas al lado izquierdo se encargan de transportar el agua desde las cuatro (4) UMA hacia el chiller.

Cabe resaltar que siguiendo las directrices de las necesidades del cliente y de los criterios de ingeniería se optó por el diseño de una bomba principal acompañada de una bomba de respaldo en caso de emergencias o para facilitar las tareas de mantenimiento

Ilustración 64. Modelo 3D de tanque de suavizado

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Ilustración 65. modelo 3D conexiones de UMA derecha


En la presente imagen podemos observar cómo serían las conexiones que parten desde la tubería principal hacia una unidad manejadora, se puede observar como una de estas dos conexiones (más específicamente la del lado izquierdo) presenta una válvula esto es debido a que este ducto hace parte de la línea de corriente que transporta el agua hacia las unidades manejadoras y una válvula es indispensable para el control del flujo que va a entregarse a la unidad manejadora puesto que dependiendo del diseño esta puede recibir más o menos que el resto de UMA.

Ilustración 66. Modelo 3D UMA posición izquierda


120

Así como en la imagen previa coma en la presente imagen se puede observar las conexiones de la línea principal con la UMA, en adición se puede ver como salen dos ductos de ventilación de ésta los cuales tienen la tarea de hacer circular el aire por todo el recinto coma esto es debido a que un ducto se encarga de dispersar el aire frío por toda la nave industrial, o por partes de ésta, mientras que otros se encargan de succionar el aire caliente.

Ilustración 67. Modelo 3D diseño de detalle de la planta


9.5 Especificaciones

Tabla 39. Especificaciones del flujo en cada etapa

121


Tabla 40. Consumo mensual de las bombas

Equipo Consumo mensual (kW-h/mes)

Bomba de Retorno: Manejadoras - Chiller 17000,23963

Bomba De Ida: Manejadoras - Chiller 17000,23963

Bomba de Retorno: Torre de Enfriamiento 17000,23963

Bomba de ida: Torre de Enfriamiento 12240172,53

9.6 Presupuesto y cronograma

Tabla 41. Cronograma final del proyecto


122

Ilustración 68. Cronograma final del proyecto


En adición con fines de una mejor observación se encuentra en la sección de anexos la Tabla 52. Costos de accesorios y tuberías. En la cual se encuentran los costos individuales por cada uno de los elementos mencionados, así como su origen.

123

10 Conclusión

Si bien la ciudad de Barranquilla presenta condiciones ambientales adversas para el desarrollo de la industria farmacéutica, la tecnología disponible en el área de refrigeración se encuentra en la capacidad de satisfacer las necesidades con un grado de control aceptable. Tomando en cuenta que existen alternativas de aislamiento lo suficientemente efectivas como para reducir de forma significativa la carga térmica de los recintos farmacéuticos. No obstante, se encuentra que la inversión necesaria para conseguir dichas condiciones representa un aporte considerable que una empresa no posicionada en la industria podría tomar como desventaja, ya que se vuelve necesario el uso de equipos de gran tamaño para contrarrestar las condiciones de la ciudad. En el ejercicio de este proyecto son necesarios 4 unidades manejadoras de aire, un chiller de agua de 650kW y añadir una torre de enfriamiento de 700kW para asegurar el correcto manejo del aire en el recinto y tener la capacidad de aumentar aún más la producción de frio para posibles expansiones futuras, además de esto. Se vuelve necesario recurrir a soluciones que aprovechen de la mejor manera el aire refrigerado, usando sistemas de recuperación de aire a las unidades manejadoras con el fin de reducir la carga térmica a desalojar.

Se plantea la idea de buscar alternativas que ayuden a reducir la alta carga térmica de la bodega a través de sistemas de generación de energías renovables como la solar, debido a que la gran desventaja de Barranquilla es precisamente la alta radiación solar que afecta la zona, por lo que a priori se ve como una opción viable para reducir costos energéticos.

124

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127

12 ANEXOS

Tabla 42. Anexos: Vista general QFD


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Ilustración 69. Tubería UMA retorno (Básico)


129

Ilustración 70. Tubería UMA ida (Básico)


130

Ilustración 71. Torre de enfriamiento retorno (Básico)


131

Ilustración 72. Torre de enfriamiento ida (Básico)


132

Ilustración 73. Conexión de chiller a UMA; cuarto de máquinas


133

Ilustración 74. Conexión a chiller de UMA de laboratorios


134

Ilustración 75. Conexión a UMAs entrada


135

Ilustración 76. Planos tubería chiller


136

Ilustración 77. Planos tubería UMA ramal derecho


137

Ilustración 78. Planos tubería UMA ramal izquierdo


138

Ilustración 79. Torre de enfriamiento subida


139

Ilustración 80. Torre de enfriamiento bajada


140

Tabla 43 Anexo perdidas por tipo de accesorio


141

Tabla 44. Perdidas de accesorios en tramo torre de enfriamiento ida


Tabla 45. Perdidas de accesorios en Torre de enfriamiento retorno


142

Tabla 46 Perdidas de accesorios en tramo a UMA izquierda ida


Tabla 47. Perdidas de accesorios en tramo UMA izquierda retorno


143

Tabla 48 Perdidas de accesorios UMA derecha Ida


Tabla 49. Perdida de accesorios UMA derecha retorno


144

Tabla 50 Perdidas de accesorios chiller ida


Tabla 51. Perdidas de accesorios Chiller Retorno.


145

Ilustración 81.Vista 3D Bodega en Cype (exterior)


Ilustración 82. Vista 3D Bodega en Cype (interior)


146

Ilustración 83.Aislamiento de techo


Ilustración 84. Aislamiento de pared


147

Tabla 52. Costos de accesorios y tuberías.


148

Documents

DISEÑO DE UN SISTEMA DE CLIMATIZACIÓN PARA NAVES