CAPÍTULO 16 Aire Acondicionado

INTRODUCCIÓN El ser humano es el único de los seres vivientes que pudo cambiar el clima diseñando y construyendo máquinas que “acondicionan el aire”, motivo de estudio de este Capítulo. Aprenderemos a seleccionar máquinas que puedan calentar y enfriar, secar y humedecer cualquier ambiente según lo creamos conveniente; es decir podemos cambiar cualquier lugar del mundo hacia unos estados (que lo llamamos Confort) donde vivamos tranquilos en un ambiente sano y cómodo. Diseñemos estos equipos.

SISTEMA DE AIRE ACONDICIONADO UNIVERSAL

INDICE Introducción Sistema de Aire Acondicionado 16.2 El Aire Húmedo 16.3 Humedad relativa 16.4 Humedad Absoluta 16.5 El Clima 16.6 Proceso de Saturación Adiabática 16.7 Temperaturas de Bulbo Húmedo Tbh y Bulbo seco Tbs 16.8 Carta Psicrométrica 16.9 Procesos de Acondicionamiento de Aire Calentamiento, Enfriamiento, Enfriamiento y deshumidificación,Humidificación,Secado, Mezcla de aire 16.10 Torres de Enfriamiento Problemas Laboratorio Psicrometría PUCP

16.1 AIRE ACONDICIONADO El Acondicionamiento de Aire, consiste en el enfriamiento o calentamiento del aire atmosférico en un ambiente interior con el fin de establecer y mantener los estados requeridos de temperatura, humedad, limpieza y movimiento. Este tratamiento comprende también la ventilación de ambientes. · Temperatura: Calentamiento y/o enfriamiento. · Humedad: humedecer y/o secar · Limpieza. · Movimiento. Las aplicaciones del Aire Acondicionado son muy diversas, aquí algunas de las principales: - Industria Textil, industria fotográfica, imprenta. - Salas de cómputo, auditorios, instalaciones médicas, instalaciones bancarias. - Conservación de productos, secado de productos.

El AIRE que respiramos es una mezcla de aire seco y vapor de agua. AIRE HUMEDO = AIRE SECO + Vapor de AGUA EL CUERPO HUMANO SE SIENTE COMODO (CONFORTABLE) CUANDO PUEDE DISIPAR LIBREMENTE SU CALOR DE DESCHO, Y NO MÁS. UN AMBIENTE COMODO ESTA ALREDEDOR DE 23 ºC, HUMEDAD RELATIVA DE 50 % CON UN MOVIMIENTO O FLUJO DE AIRE DE 15 M /MIN. En estos sistema de acondicionamiento de aire usaremos una mezcla de gases (aire y vapor de agua) por lo que tenemos que usar una tabla que mezcle ambos gases. Es el llamado aire húmedo que es el aire seco más vapor de agua.

Dónde se utilizan estos Sistemas ? Unidad de acondicionamiento de aire. Incluye de evaporación con ventilador a 90 º. Diferencia de temperaturas en una casa acondicionada en invierno. Modelo de evaporador tipo CV, alta velocidad y flujo directo para la extracción de aireen cabinas. Ventiladores de 24” y 30 “ con 1 HP del motor. Estación compacta de Monitoreo del clima. Cole Parmer. Presión barométrica. Humedades. Velocidad y dirección del viento. Lluvia. Radiación solar. US$1440 Simple T,Po,HR. US$ 177

Unidad central exterior de una unidad de tratamiento de aire Unidad central exterior de una unidad de tratamiento de aire. Trane Company, Medidor portátil de temperatura y humedad relativa. Rango 25 a 95 % HR; temperaturas de 0 a 50 ºC. Digital. 4000 horas continuas. US$ 58 Estufa Hi-Tech de 9 paneles.

16.2 El Aire Húmedo MEZCLA DE GASES CON UN VAPOR - Estudiaremos al aire húmedo. (aire seco + vapor de H2O) - Consideremos: a) Composición del aire: 21% O2 y 79% de N2. b) Dado que la presión del vapor es su presión parcial, la cual es usualmente pequeña, se tratar al vapor de agua como gas ideal. M = 18.015 R = 0.46152 kJ/kg-K Cp= 1.8723 kJ/kg-K Cv= 1.4108 kJ/kg-K Pc= 22.09 MPa Tc = 647.3 K Esta mezcla no se puede considerar como una sustancia pura, pues el vapor es no condensable, por lo tanto la condensación de la mezcla puede variar ante cambios de P y T.

El rango de trabajo en AIRE ACONDICIONADO se considera entre 50º C y -40º C, por lo que para podrá ser considerado como gas ideal, el aire húmedo (aire seco + vapor) hasta 15 bar.

å Presión Parcial (P ) - Ley de Dalton La presión de una mezcla de gases ideales es igual a la suma de las presiones parciales que cada componente ejercería si éste ocupara el volumen de la mezcla a la temper atura de la mezcla. T,v T,v T,v o sec aire ( O H de i(vapor P c,..... b, a, 2 <<< = å Aire Vapor de H O Aire Húmedo a b +P

A la misma presión y temperatura dos gases ocupan el mismo volumen, tal como sucede con el aire seco y el vapor de agua en nuestro ambiente. Barómetro Po

16.3 Humedad Relativa (f)

Unidad Compacta de medición de HR, temperatura, Tbs, punto de rocío Unidad Compacta de medición de HR, temperatura, Tbs, punto de rocío. US$ 129 Catalogo Cole Parmer

16.4 Humedad Absoluta (w)

16.5 El Clima Aire Saturado: Cuando el vapor en la mezcla está saturado, entonces Ö es igual a 1 o 100%. Punto de Rocío: Temperatura a la cual el vapor se empieza a condensar cuando la mezcla se enfría isobáricamente. En el punto de rocío Ö = 1 ó 100%. Escarcha, granizo, nieve: aire húmedo saturado a T<0.01 C. Niebla: justo vapor saturado. Lluvia: justo vapor saturado más condensación. Unidad digital de Mediciones del clima. Data Logger. - Presión Po - Temperatura To - Humedad Relativa HR - Pluviómetro - Velocidad y Dirección del viento - Radiación Solar

PROCESO DE SATURACIÓN ADIABÁTICA Para definir el estado de una mezcla de gases ideales y vapores condensables, no es suficiente conocer las propiedades P, T, V, debemos tener información además de la composición de ésta. En el caso particular del aire húmedo sería suficiente por ejemplo conocer la humedad absoluta (w = mv / ma) y esto es posible mediante un saturador adiabático como el que se muestra.

La idea es hacer pasar el aire no saturado (humedad relativa menor que 100 %) , por un lugar en el que el agua saturada (líquido saturado h = hf) se evapore exactamente la cantidad suficiente para que en la salida sea saturada, es decir humedad relativa 100 %.

Es importante observar que con la expresión anterior, es posible conocer la humedad absoluta del aire húmedo en cuestión, si conocemos P, T1 y T2 que son fáciles de obtener experimentalmente (sirve para medir la humedad del aire)

16.7 Temperatura de Bulbo Húmedo (Tbh) Psicrómetro tipo vaivén. HR de 10 a 100 %. Temperaturas de - 5 ºC a 50 ºC.

Los subíndices h y s, denotan temperatura de bulbo húmedo y seco, respectivamente. Notar que Tbs es la Temperatura de la Mezcla.

Psicrómetro de bolsillo. Humedad relativa HR de 10 a 100 % Psicrómetro de bolsillo. Humedad relativa HR de 10 a 100 %. Temperatura de -5 ºC a 50 ºC- US 63.. Marca Ertco

VENTILADORES

Los ventiladores se diseñan según el flujo de aire que queramos. Rodete y caja del ventilador con la tapa desmontada. Rodete y ventilador de plancha de acero. Ventilador Joy con paletas regulables Los ventiladores se diseñan según el flujo de aire que queramos.

16.8 Carta Psicrométrica Es un diagrama que tiene como ordenada la humedad absoluta y como abscisa la temperatura de bulbo seco. En él están trazadas también las líneas de humedad relativa constante, las de temperatura de bulbo húmedo constante, de entalpía especifica y volumen especifico aire-vapor. La Carta Psicrométrica se construye para una presión de la mezcla constante.

16.9 Procesos de Acondicionamiento de Aire El Acondicionamiento de Aire, consiste en el enfriamiento o calentamiento del aire atmosférico en un ambiente interior con el fin de establecer y mantener los estados requeridos de temperatura, humedad, limpieza y movimiento. Este tratamiento comprende también la ventilación de ambientes. Temperatura: Calentamiento y/o enfriamiento. Humedad: humedecer y/o secar Limpieza. Movimiento. Las aplicaciones del Aire Acondicionado son muy diversas, aquí algunas de las principales: - Industria Textil, industria fotográfica, imprenta. - Salas de cómputo, auditorios, instalaciones médicas, instalaciones bancarias. - Conservación de productos, secado de productos.

Uno de los factores importantes a tener en cuenta en los sistemas de acondicionamiento de aire, es la carga térmica. Esta se debe a lo siguiente. ·Calor transferido a través de paredes, techo, piso y vidrios. ·Calor liberado por alumbrado interior, equipos (motores u otros). ·Carga del aire interior. ·Infiltraciones de aire. ·Calor liberado por la presencia de personas.

PROCESOS EN PSICROMETRIA Los procesos más comunes en Psicometría, son los que analizaremos a continuación. 1)Calentamiento sensible. En estos procesos no hay vaporización ni condensación del agua por lo tanto, el contenido de humedad del aire permanece constante. Los valores de w y P, permanecen constantes. Se representa por una recta horizontal en la Carta Psicrométrica, entre los límites de temperatura de bulbo seco de entrada y salida. Para el calentamiento, podemos representar un conducto a través del cual fluye aire que es calentado por medio de una resistencia eléctrica. Equipos: Resistencia Eléctrica Intercambiadores (caldera) Características: No cambia la humedad absoluta, sólo aumentan la temperatura.

Estufa Hi-Tech de 7 paneles

3) Deshumidificación

Evaporadores Unidad de acondicionamiento de aire para cuartos. Vilter Modelo UF y SUF Baja velocidad y silencioso. Ventilador de 18 “ - 1/3 HP Ventilador de 24 “ - 1/2 HP Unidad Vilter modelo SC (Standard Cooler). 1/2 HP a 3/4 HP. Ventilador de 24 “. Motor de 1150 RPM para funcionamiento silencioso. Unidad de acondicionamiento Vilter modelo LP (Low Profile) para pequeñas habitaciones. Extremadamente silenciosos. 1/3 HP. Ventilador 18”. 1150 RPM

4) Humidificación y Enfriamiento

5) Humidificación y Calentamiento En este caso, se incrementa la humedad del aire, incorporando vapor de agua una temperatura mayor que la del aire. Se representa por una recta inclinada, denotando un aumento de la temperatura y de la humedad especifica del aire. El proceso se puede lograr en un conducto que transporta aire y en el cual se inyecta vapor de agua a mayor temperatura que la del aire. Equipos: Hervidor de agua Características: Cambian la humedad y aumentan la temperatura.

6) Secado

Mezcla Adiabática de Aire (Cines) Se trata de dos flujos de aire de diferentes condiciones, que se juntan en un mezclador adiabático con dos entradas y una salida y que salen mezclados. El proceso se puede representar en la Carta Psicométrica mediante una recta que une los estados de cada uno de los flujos de aire. El punto de mezcla estará ubicado sobre dicho segmento de recta, dividiéndolo en dos partes proporcionales a la variación de la humedad específica de cada flujo.

16.10 Torres de Enfriamiento

Probl. 1 : (Usando Fórmulas) Por un conducto se hace pasar 0.35 kg/s de aire húmedo a 1 bar. Se instala un psicómetro donde se aprecia que la temperatura de bulbo seco es 30º C y la de bulbo húmedo 25º C. Determinar: a) La humedad absoluta del aire húmedo. b) La presión parcial del vapor y la humedad relativa c) El flujo de masa de aire seco y vapor. d) El volumen específico de vapor. En el curso solamente trabajaremos con la carta psicrométrica, este problema es solo para conocer el otro método.

Prob. 2.-¿Cual es la humedad relativa del aire atmosférico cuya humedad específica es de 0.0163 kg vapor/ kg aire seco, a 30° C y a 1 bar?

Probl 3 : Usando Carta Psicométrica. Se tiene aire ambiente (P =1 bar) a 30º C y Ö=50%, mediante el acondicionador mostrado, se desea tener aire a 25º C pero con la misma humedad relativa. Si el caudal de aire húmedo a la entrada es 0.5 m3/s, hallar: a) El proceso en la Carta Psicométrica. b) La masa de condensado. c) El calor que será necesario extraer. El condensado se encuentra a 15º C y es líquido saturado. d) El calor entregado por la resistencia.

4. Una mezcla de aire seco y vapor de agua ingresa a una unidad de acondicionamiento de aire a una presión de 2 bar y 30°C con f=80%. La masa de aire que ingresa a la unidad es de 100kg/min. La mezcla de aire seco y de vapor sale de la unidad de acondicionamiento a 1.5 bar, 20°C y f=100%. El líquido condensado sale a 20°C. Calcular el calor transferido, en kW.

5. Se tiene una mezcla de aire y vapor de agua a una presión de 1 bar y 20° C, el cual ocupa un volumen de 0.2 m3 . Si su humedad relativa es 70%, determinar: a)La masa de vapor existente, en gramos. b)Si se realiza un enfriamiento a presión constante, ¿a qué temperatura empezará la condensación? c)¿Qué cantidad de vapor se condensará si la mezcla se enfría a 10°C, manteniéndose constante la presión total? d)Si la mezcla original se calienta hasta 40 °C, a presión constante, ¿Cuál será la humedad relativa final? e)Si para el caso d) se requiere alcanzar nuevamente una humedad relativa de 70%. ¿Qué cantidad de agua tendrá que agregarse si este se encuentra a 40°C?