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criterios para la selección de equipos

1. E Ns D4 D3 Manejadora 3B o_o a e E PLANTA DE DISTRIBUCI N tercer nivel Escala 1 150 j 8 escala gr fica 109 SUBE Figura 34 Plano de la planta del segundo nivel del edificio para E2 es Manejadora 2A JA E BAJA J El ejemplo hidr ulico TUBERIA DE SUMINISTRO DE AGUA TUBERIA DE RETORN O GUA E4 E3 Manejadora 2B PLANTA DE DISTRIBUCI N segundo nivel Escala 1 150 110 S ascensor B escala gr fica Figura 35 Plano de la planta del primer nivel del edificio para el ejemplo hidr ulico Manejadora 1B F4 TUBERIA SOMNISTRO DE AGUA TUBERIA DE RETORNO E AGUA PLANTA DE DISTRIBUCI N escala 1 150 primer nivel a a escala gr fica 111 Figura 36 Esquema de distribuci n de caudales de agua para cada manejadora K C MANEJADORA 3A c MANEJADORA 3B z 00 D2 D1 2 D3 D4 23 gpm D 23 gpm 23 gpm 23 gpm o o O O de N MANEJADORA 2A p 9 MANEJADORA 2B EZ El ES E4 23 gpm E 23 gpm 23 gpm 23 gpm MANEJADORA 1A 5 E MANEJADORA 1B O N F2 F1 a F3 F4 23 gpm F 233 gpm 23 gpm G 23 gpm 138 gpm 112 ELL di metro pulgadas 3 1 2 caudal gpm E 138 92 AS 46 E 46 EE 92 e pa 3 o 3 2 3 O 2 Tramo ABCD 9 2 1 2 2 1 2 FREE E MA ABCD O c O 31 2 9 2 115 11 140 4 132 5
2. carcaza tipo inundado Esquema de un evaporador de tubo y carcaza de expansi n seca Gr fica de transferencia de color en un condensador con R 22 Unidad condensadora tipo paquete Curvas de capacidad t pico y de potencia para un compresor herm tico alternativo VII 11 15 20 22 24 21 34 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 Vista de un compresor semiherm tico Vista del solenoide de un descargador de cilindros de un compresor herm tico Esquema del sobrecalentamiento con una TEV Esquema del circuito de refrigeraci n en forma directa Esquema de un chiller con un sistema de enfriamiento en forma indirecta Vista de dos chillers reciprocantes marca Carrier de 80 toneladas cada uno Esquema del circuito de refrigeraci n con accesorios m s comunes Diagrama el ctrico del sistema pump down vista de un step controller Esquema de conexiones hidr ulicas del chiller las manejadoras y las v lvulas de tres v as Curvas t picas de balance para equipos chillers VIII 36 36 43 46 47 91 54 96 58 63 66 22 23 24 25 26 2 28 29 30 31 32 Esquema en planta de una manejadora de varias salidas de aire Diagrama de transferencia de calor en intercambiadores de calor Vista de un serpent n de agua fr a para una manejadora Gr fica de la l nea de proceso del serpent n Perfil de un
3. con la tabla No permitir que la velocidad sea menor que 1 5 a 2 pies por segundo para evitar asentamiento de tierra o burbujas de agua Verificar cual es el circuito m s largo desde la bomba y calcular la ca da de presi n en ese circuito comprobar que la ca da de presi n esta dentro de los l mites permitidos entre 1 y 5 pies de agua por cada 100 pies de tubo El anterior m todo se denomina m todo de la fricci n igual Potencia de la bomba El trabajo til de la bomba es la cantidad de agua bombeada en un periodo de tiempo multiplicado por la carga desarrollada por la bomba y la expresamos en caballos de fuerza de agua WHP WHP Q H 3960 Q capacidad de la bomba en gpm H carga total de la bomba en pies de columna de agua 96 La fuerza para mover la bomba generalmente la determinamos en caballos de fuerza y es la potencia que recibe la bomba que llamamos potencia al freno BHP Cuando calculamos la potencia al freno debemos conocer la eficiencia de la bomba que la encontramos en las curvas caracter sticas de la bomba a un determinado caudal y carga total BHP Q H 3960 n n eficiencia mec nica de la bomba 4 8 Ejemplo de un dise o hidr ulico para un sistema de aire acondicionado central con chiller Para tener m s claro el procedimiento de calcular los di metros de tuber as en el circuito hidr ulico el caudal total que deber manejar la bomba de agua y la ca
4. sta Esos datos los agruparemos en las siguientes tablas Tabla VII circuito manejadora 3A Tabla VIII circuito manejadora 3B TRAMO METROS PIES TRAMO METROS A C D D Ps c 98 Tabla IX circuito manejadora 2A IT E2J DL 18 696 JGK 12 8 41 984 Tabla X circuito manejadora 2B Ecco Mii M8 4 3 14 104 10 5 34 44 JGK 12 8 41 984 Tabla XI circuito manejadora 1A METROS PIES 21 5 70 52 8 8 28 864 58 190 24 A 99 Tabla XII circuito manejadora 1B K sa aaor DEN INS IN Usando el sistema de tendido de tuber a con retorno inverso vemos que las distancias desde la bomba para todas las manejadoras son parecidas lo que nos dar un sistema m s balanceado que uno con sistema de retorno directo Paso 2 Determinar los di metros de tuber a para cada tramo en la figura 36 vemos la distribuci n de caudales de agua para cada manejadora sos caudales son datos del fabricante ver tabla IV El caudal total que debe manejar la bomba es la suma de los caudales para cada manejadora En este caso el caudal total de la bomba es 6 23 138 gpm La gr fica 30 nos proporciona para un determinado di metro de tuber a con un determinado caudal de agua una p rdida por fricci n en pies de agua por cada 100 pies de tuber a El trabajo que corresponde ahora es seleccionar un di metro apropiado para cada tramo de tuber a tratando de mantener los siguientes l mites de p
5. suministrada La tabla V es parte del cat logo de un fabricante de manejadoras de aire donde muestra datos t cnicos como presi n est tica potencia CFM y RPM 89 Tabla V Caracter sticas de los ventiladores de algunos modelos de Manejadoras marca Dunham Bush CFM EsP emp EsP ESP fan model VCB HCB 84C 2400 2800 081 075 074 ose oee 0o97 058 107 0o44 122 SINGLE 1100 108 oss 101 099 o9 113 087 126 077 139 10X10 Cie 1s 157 13s ase 149 es 16 VCB HCB 108C eo oo in os 12 os 133 oss 145 or 158 VCB HCB 125C VCB HCB 160C zo on we ore 14 or 182 ose 17 os 188 VCB HCB 190C eo i23 iea 12 188 19 218 121 es 12 25 VCB HCB 220C eo ia ase 1a es im 29 13 sa 12a se ne ase es ass e as ee 8 gt 7 VCB HCB 250C Co is o is os 177 os 18 7 o os 18 os 20 ose 227 oss 247 oso 207 so 1 es os ase o9 ess oos so os 33 eo a e e ee i as 13 am 1es sm VCB HCB 320C AE a O E N a 0 187 ao 17 43 148 aea 148 495 104 52 sxn VCB HCB 380C Ca es o 40 os az oz 58 os 6083 o asi as ia as 18 58 135 685 114 718 mo ese 6x8 232 es 23 7 1 D T gt SINGLE 12X 12 SINGLE
6. MATES E 2 2 2 2 NININ ds de my f p c 100mt 1 75 HF total pies NOTAS Oopn NIO 1 7 1 7 1 75 todas las manejaddoras A manejadoras 3B y 2B manejadora 1B HF total p rdida de presi n por los 6 serpentines log total por codos ong Toral ongoral c v lvula 2 las v lvulas en cada manejadora son de compuerta abierta 5 la HF total por cada tramo se calcul as HF hf long total 100 por v l NU 3a Co i 1 las longitudes equivalentes por accesorio para un determinado di metro las encontramos en la tabla VI 3 la longitud total en cada tramo es la longitud del tendido de tuber a m s el equivalente por los accesorios 4 la hf representa la p rdida por fricci n en tuber a por cada 100 pies y se tomaron de la gr fica 30 6 la p rdida de presi n en pies de los serpentines de cada manejadora se tomaron de la tabla IV modelo VCB 125 C long Total 148 7 9 84 37 8 37 8 43 8 138 130 7 156 148 10d epip1ad 1ejn9 es esed soep ap u wns y IlIX e1qe 1 4 UO0IIIII CONCLUSIONES En los sistemas de refrigeraci n el proceso de absorci n de calor dentro del evaporador se lleva a cabo a presi n constante idealmente el refrigerante entra a ste en forma de l quido saturado y sale en forma de gas saturado a una determinada presi n la diferencia de entalp as en estos puntos deber a ser el calor latente del refrigerante a sa p
7. Punto D tambi n sabemos que el compresor maneja 8 98 cfm de vapor 8 98 9 5 0 945 toneladas de refrigeraci n b HP ton de refrigeraci n del punto D leemos We 0 202 HP cfm y los HP 0 202 8 98 1 82 De lo anterior sacamos las siguientes conclusiones 1 Un incremento de 20 psi en la presi n del condensador disminuye la capacidad del sistema de 1 tonelada a 0 945 o sea un 5 5 2 Tenemos un incremento en las toneladas de refrigeraci n necesarias para el mismo efecto de 1 68 a 1 82 14 3 En un sistema de refrigeraci n debemos mantener la presi n de descarga en el condensador que nos permita la debida condensaci n del refrigerante lo m s bajo posible ya que el sistema nos dar m s capacidad con menor consumo de energ a en el compresor 1 2 5 Ciclo con subenfriamiento simple Es posible lograr una disminuci n de la temperatura del refrigerante l quido antes de entrar a la v lvula de expansi n este efecto se puede lograr controlando la temperatura del agua de enfriamiento del condensador si es un condensador de ese tipo o colocando un intercambiador de calor entre la l nea de l quido que llega hasta la v lvula de expansi n y la l nea de gas que sale del evaporador y llega hasta el compresor esto ayuda a reducir el porcentaje de evaporaci n en la v lvula de expansi n flash gas del que hablamos anteriormente y al mismo tiempo aumenta el efecto de refrigeraci n Figura 5 Gr
8. Se usa generalmente una v lvula de expansi n termost tica para controlar el paso de refrigerante l quido al evaporador y controlar una condici n de sobrecalentamiento al refrigerante al salir de ste La expansi n seca se usa mucho en equipos de 150 toneladas o menos En la siguiente ilustraci n podemos observar un enfriador acorazado que utiliza un evaporador tipo expansi n seca El agua circula sobre los tubos por los que en el interior atraviesa el refrigerante l quido evapor ndose 21 Figura 7 Enfriador con evaporador tipo expansi n seca Fuente Principios de refrigeraci n de Roy Dossat 1 3 2 Condensadores Igual que con los evaporadores el condensador es una superficie de transferencia de calor El calor del vapor refrigerante caliente pasa a trav s de las paredes del condensador para su condensaci n Como resultado de su p rdida de calor hacia el medio condensante el vapor refrigerante es primero enfriado hasta saturaci n y despu s condensado hasta su fase de estado l quido Aun cuando la salmuera o algunos refrigerantes de expansi n directa se les usa como medios condensantes en aplicaciones de baja temperatura en general para la mayor a de los casos el medio condensante empleado es aire o agua o una combinaci n de ambos Los condensadores son de tres tipos generales enfriados por agua enfriados por aire y los evaporativos 22 1 3 2 1 La carga del condensador El calor total
9. rdida de fricci n y velocidades de agua dentro de las tuber as A la p rdida por fricci n debe estar entre 1 y 5 pies de agua 100 pies de tuber a B la velocidad en las tuber as principales debe estar entre 4 y 6 pies seg C la velocidad en circuitos derivados no debe ser mayor a 4 pies seg Tramo ABCD Caudal 138 gpm Longitud total 71 72 pies La velocidad dentro de la tuber a se calcular con la siguiente formula 100 V 0 4085 gpm g V velocidad del agua dentro de la tuber a en pies segundo gpm galones de agua por minuto d di metro del tubo en pulgadas De la gr fica 30 tenemos algunas alternativas de di metro para este tramo Di metro pulg P rdida pies 100 Velocidad pies seg 3 3 5 6 26 3 Y 1 75 4 6 Con el di metro de tubo de 3 Y tenemos una p rdida de fricci n peque a y la velocidad del agua queda dentro de un rango aceptable por lo que para el tramo ABCD usaremos tubo de 3 2 pulgadas de di metro Tramo DE Caudal 92 gpm Longitud total 9 84 pies Di metro pulgadas P rdida pies 100 Velocidad pies seg 3 Y 1 3 06 3 2 4 18 2 Y 6 6 013 El tramo DF es parte del cabezal principal del sistema para mantener una p rdida por fricci n parecida al primer tramo manteniendo la velocidad del agua dentro de los par metros seleccionamos un di metro de 3 pulgadas 101 Tramo EF Caudal 46 gpm Longitud 9 84 pies Di metro pulg P rdida pies 100 Veloc
10. 12X 12 SINGLE 15X15 SINGLE 15X15 SINGLE 15X15 VCB HCB 480C 9600 10800 12000 12800 13600 850 126 481 122 576 103 6s4 08 765 048 849 TWIN 0 143 527 143 619 13 741 115 824 o 916 15X15 Presi n est tica ESP en pulgadas de columna de agua Serpentines de 3 columnas Fuente Cat logo de unidades manejadoras de aire para chillers 1500 15000 cfm Series VCB y HCB marca Dunham Bush 86 4 CIRCUITOS HIDR ULICOS EMPLEADOS EN LOS SISTEMAS DE AIRE ACONDICIONADO El agua fr a que obtenemos del equipo chiller debemos hacerla circular hasta las manejadoras de aire por medio de tuber as El circuito hidr ulico debemos de dise arlo de modo que se suministre el caudal necesario a cada manejadora Los componentes b sicos de los sistemas hidr ulicos son las tuber as principales de conducci n de agua las bombas de agua los serpentines de enfriamiento un tanque de expansi n de agua purgadores de aire v lvulas de paso v lvulas de cheque man metros v lvulas motorizadas de tres v as en los serpentines de enfriamiento 4 1 Materiales t picos para las tuber as Los materiales m s com nmente utilizados son para las tuber as principales de suministro y retorno del agua tubos de hierro negro c dula 40 o tubo de cloruro de polivinilo PVC c dula 40 para conexiones de peque
11. 1500 15000 cfm Series VCB y HCB marca Dunham Bush 80 3 2 Ventiladores de las manejadoras de aire Las manejadoras de aire tienen incorporado un ventilador centr fugo para distribuir el aire de un determinado camino dise ado anteriormente el ventilador debe seleccionarse de manera que desarrolle el caudal de dise o venciendo todas las resistencias ofrecidas como el serpent n de enfriamiento la resistencia debido a los ductos etc Los ventiladores de h lice o axiales no pueden crear altas presiones y se usan cuando hay muy poca ducter a Los ventiladores centr fugos se usan mucho debido a su capacidad para mover aire eficientemente contra una presi n y son m s silenciosos que un ventilador axial La mayor a de manejadoras instaladas para sistemas de aire acondicionado con capacidades alrededor de las 100 toneladas o menos sus ventiladores utilizan rodetes con aletas curvadas en direcci n con el giro del ventilador ya que mueven grandes vol menes de aire y son relativamente silencioso La figura 26 muestra un esquema de un rodete con aletas curvadas hacia delante Figura 26 Perfil de un rodete con aletas curvadas hacia delante 81 Los ventiladores son generalmente clasificados por la AMCA air moving and conditioning association por categor as de acuerdo a los l mites de operaci n en cuanto a presi n est tica Clase 3 34 pulgadas de presi n total m xima baja presi n Clase Il 63 4 pulga
12. 2212 3 4 5 6_8_ Codo 45 0 8 0 9 13 17 2 2 28 3 3 40 55 66 80 11 0 a E E 33 143 55 6 5 11 0 22 0 normal 90 O Goao 907 ao a 23 27 35 42 152 7 0 14 0 16 radio largo compuerta V lvula de abierta V lvula de 310008 e abierta recto TELE Q KIO O Ol Z N N N O N O md O IS mud O w hilo N amp dh QI O O Val Retenci n 10 14 126 20 30 40 50 horizontal peni EJ ss as V lvula de ngulo para radiador ne 20 14 KN 14 14 14 divergente V lvula de retenci n 27 42 63 83 104 125 126 de flujo wa 218 45 p7 a pasas de aire Fuente Acondicionamiento del aire Principios y sistemas de Edward G Pita 4 6 Algunos criterios para seleccionar los di metros de tuber a 1 Calcular los caudales de agua en cada tramo de tuber a tomando en cuenta los caudales necesarios en cada serpent n ver ecuaci n para caudales en serpentines descrita anteriormente 95 La perdida por fricci n debe ser entre 1 y 5 pies de agua por cada 100 pies de tubo La velocidad en la tuber a principal no debe ser mayor de 4 a 6 pies por segundo en sistemas peque os o de 8 a 10 en sistemas mayores Calcular el di metro de tubo para las tuber as principales Calcular los di metros de tubo para los circuitos de los serpentines Si se tiene una reducci n muy grande de caudal utilizar un tubo inmediato inferior al que se encontr
13. Entonces es el control de presi n del lado de baja qui n manda a desconectar el o los compresores que est n funcionando en el momento de paro y con esto habremos evacuado una gran parte del refrigerante del evaporador y evitar que ste pueda retornar al carter del compresor durante el ciclo de paro 55 Figura 18 Diagrama el ctrico del sistema pump down 0 e ps E ES MI HTR FU fusible SW interruptor manual TM termostato SOL bobina de v lvula solenoide F SW interruptor de flujo de agua flow switch M 1 bobina del relevador LP control de baja presi n HP control de alta presi n M 2 bobina contactor del compresor OP control de presi n de aceite HTR resistencia del carter del compresor 96 En la figura 18 vemos un diagrama el ctrico t pico de un paro pump down tambi n podemos ver que la resistencia de calentamiento de aceite del compresor conectar siempre que el compresor se encuentra en periodo de paro el prop sito es mantener caliente el aceite y evitar que alguna parte de refrigerante l quido se mezcle con ste Este circuito es muy com n encontrarlo para 120 voltios AC 2 8 Descripci n del control de capacidad del chiller Este dispositivo es quien controla el suministro de potencia del chiller de acuerdo con las condiciones de carga que se requieran de ste en determinados momentos Generalmente este tipo de control responde a la
14. HONORABLE TRIBUNAL EXAMINADOR Cumpliendo con los preceptos que establece la ley de la Universidad de San Carlos de Guatemala presento a su consideraci n mi trabajo de graduaci n titulado CRITERIOS PARA LA SELECCI N DE EQUIPOS MEC NICOS EN SISTEMAS DE AIRE ACONDICIONADO QUE UTILIZAN EQUIPOS CHILLERS ENTRE 60 Y 110 TONELADAS tema que me fuera asignado por la Direcci n de la Escuela de Ingenier a Mec nica con fecha 3 febrero 2003 Juan Francisco Quezada Escobar DEDICATORIA A Dios Ser supremo y creador del universo Mis padres Francisco Quezada M rida y Edna Escobar de Quezada Infinitas gracias Mi esposa Odilia Janeth Garc a de Quezada Por su amor y apoyo en todo momento Mis hijos Ver nica y Juan Francisco Su cari o me motiva a seguir adelante Mis hermanas Patricia Marilyn y Ruth Por su gran ayuda y cari o La Universidad de San Carlos de Guatemala Centro de estudios de formaci n profesional Gratos recuerdos de mi poca estudiantil Instituto T cnico Vocacional Dr Imrich Fischmann Especialmente en la carrera de Refrigeraci n y Aire Acondicionado Centro de inicio de mi formaci n profesional NDICE GENERAL NDICE DE ILUSTRACIONES LISTA DE S MBOLOS GLOSARIO RESUMEN OBJETIVOS INTRODUCCI N 1 PRINCIPIOS DE REFRIGERACI N Y COMPONENTES DEL CICLO DE REFRIGERACI N POR COMPRESI N DE VAPOR 1 1 Teor a de refrigeraci n 1 1 1 Unidades de capacidad 1 1 2 Efecto
15. aire fr o las manejadoras 63 La v lvula de tres v as al mismo tiempo que regula la cantidad de agua a trav s del serpent n conduce el resto de agua que esta restringiendo hacia la tuber a de salida del serpent n y con esto mantienen el flujo constante a trav s de toda la red hidr ulica que es lo que necesitamos 2 11 Algunos conceptos que se deben tomar en cuenta para seleccionar el chiller Para empezar se debe comenzar con considerar la aplicaci n del equipo ya que puede ser para sistemas de aire acondicionado o alg n proceso industrial requerimientos de temperatura disponibilidad de potencia en nuestra subestaci n o banco de transformadores limitaciones de espacio limitaciones econ micas y variaciones de carga La selecci n del equipo chiller es solo una parte de todo el dise o del sistema de aire acondicionado central La carga t rmica que se le cargar al chiller se obtiene de los c lculos de enfriamiento que deben haberse obtenido previamente Tomando en cuenta factores de correcci n ya que el proceso de transferencia de calor no es directo El sistema de refrigeraci n por medio del refrigerante absorbe calor al agua en el evaporador el agua fr a es conducida por tuber as hasta las manejadoras de aire el agua fr a absorbe calor del aire que pasa a trav s de los serpentines y el aire viaja por medio de ductos hasta los ambientes a acondicionar 64 Debemos tomar en cuenta la efici
16. chiller de manera que ser el term stato quien gobernar a la v lvula solenoide Figura 17 Esquema del circuito de refrigeraci n con accesorios m s Comunes CONDENSADOR D C gt A B C C O a a A o E F G eN paa E Ez p P ps EVAPORADOR Pn COMPRESOR A dep sito de l quido B filtro C visor de l quido D v lvula solenoide E v lvula de expansi n F man metro de baja presi n G presost to para el lado de baja presi n 54 En la figura 17 vemos un esquema del circuito de refrigeraci n con una v lvula solenoide D para efectuar el apagado pump down El control de temperatura termostato manda a cerrar la v lvula solenoide D en el lado de alta presi n con el compresor trabajando a n el refrigerante se empezar a acumular dentro del dep sito de l quido y el condensador al mismo tiempo que lo estar evacuando del lado de baja presi n evaporador No es recomendable que el evaporador se quede vac o completamente o a presiones m s bajas que la presi n atmosf rica vac o Hay un control de presi n G conectado directamente a la tuber a de succi n que estar midiendo la presi n en el evaporador cuando usamos pump down el control de presi n en el lado de baja presi n se grad a para que desconecte a presiones bajas esas presiones oscilar n entre 1 y 5 psi aproximadamente dependiendo del criterio del operador o set point de f brica
17. de refrigeraci n 1 1 3 Peso de refrigerante que debe estar circulando 1 1 4 Coeficiente de rendimiento 1 2 Ciclos de Refrigeraci n 1 2 1 Ciclo de compresi n b sica 1 2 2 Ciclo de saturaci n simple 1 2 3 Efecto de la presi n de succi n 1 2 4 Efecto de la presi n de descarga 1 2 5 Ciclo con subenfriamiento simple 1 3 Componentes del ciclo de refrigeraci n por compresi n de vapor 1 3 1 Evaporadores VII XIII XVII XXI XXIII XXV 0 0 N A N N e 14 15 16 16 1 3 2 1 3 3 1 3 1 1 M todo de alimentaci n de refrigerante 1 3 1 2 Enfriador de tubo y carcasa acorazados 1 3 1 3 Enfriador con evaporador inundado tipo tubo y carcasa 1 3 1 4 Evaporador tipo spray 1 3 1 5 Enfriador con evaporador tipo expansi n seca Condensadores 1 3 2 1 La carga de condensador 1 3 2 2 Condensadores enfriados con agua 1 3 2 2 1 Transferencia de calor 1 3 2 3 Condensadores de tubo y carcasa 1 3 2 4 Condensadores de doble tubo L325 Condensadores enfriados con aire S29 Tipo paquete 1 3 2 5 2 Tipo remoto 1 3 2 5 3 Velocidad y cantidad de aire Compresores 1 3 3 1 Compresores alternativos 1 3 3 2 Compresor abierto 1 3 3 3 Compresor herm tico 1 3 3 4 Comportamiento de compresor reciprocante 1 3 3 5 Control de capacidad 1 3 3 6 Selecci n de la unidad de compresi n reciprocante II 18 19 19 20 21 22 23 23 24 20 26 26 26 21 28 28 30 31 32 32 35 3 7 1 3 4 Controles de
18. encima de los tubos entregando el calor al agua que circula por el interior de stos XXII OBJETIVOS General Calcular y seleccionar los equipos mec nicos involucrados en sistemas de aire acondicionado que utilizan chillers de 60 a 110 toneladas de refrigeraci n para obtener un funcionamiento ptimo Espec ficos 1 Conocer los fundamentos de la teor a de la refrigeraci n mec nica por medio de la compresi n de vapor los componentes del ciclo de refrigeraci n y el funcionamiento b sico para poder tener un buen criterio t cnico en la selecci n de una m quina de enfriamiento de agua para un sistema de aire acondicionado central 2 Conocer las caracter sticas principales de un equipo chiller para entonces poder hacer una selecci n ptima en cuanto a la potencia requerida y tipo de funcionamiento 3 Conocer el funcionamiento general de una manejadora de aire las relaciones entre capacidad de enfriamiento del serpent n de agua y las presiones del ventilador para poder hacer una apropiada selecci n en un proyecto de aire acondicionado X XIII 4 Proporcionar caracter sticas de los circuitos hidr ulicos en los sistemas de aire acondicionado los caudales nos servir n para seleccionar apropiadamente las bombas con respecto a la potencia del motor el ctrico y el caudal necesario para el proyecto tomando en cuenta las p rdidas de carga que existan en el circuito XXIV INTRODUCCI N Es importa
19. fica ph ciclo con subenfriamiento PRESI N ENTALP A 15 Observemos en la anterior gr fica que el calor extra removido del condensador es la diferencia entre h4 h4 Adem s es f cil ver que el efecto de refrigeraci n aumenta ya que ahora el calor que extraemos del evaporador por unidad de masa de refrigerante es h hs 1 3 Componentes del ciclo de refrigeraci n por compresi n de vapor El ciclo de compresi n de vapor es el m todo m s com n de transferencia de energ a calor fica refrigeraci n Hay cuatro elementos principales en el ciclo de compresi n evaporador compresor condensador y dispositivo de control de flujo de refrigerante 1 3 1 Evaporadores El evaporador o serpent n de enfriamiento es la parte del sistema de refrigeraci n donde se retira el calor del producto que puede ser aire agua O cualquier otra cosa que quiera refrigerarse Cuando el refrigerante l quido empieza a entrar al evaporador comienza el proceso de absorci n de calor en el mismo momento el refrigerante empieza a hervir y se vaporiza El evaporador es la parte del sistema de refrigeraci n en el cual el refrigerante se vaporiza para producir refrigeraci n En general un evaporador es una superficie de transferencia de calor en el cual se vaporiza un l quido vol til para eliminar calor de un espacio o producto refrigerado 16 Debido a muchas y diversas aplicaciones de la refrigeraci n
20. flujo de refrigerante 1 3 4 1 V lvula de expansi n manual 1 3 4 2 V lvula de expansi n autom tica 1 3 4 3 V lvula de expansi n termost tica TEV 1 3 4 4 Otras consideraciones sobre las TEV EL CHILLIER PARA AIRE ACONDICIONADO 2 1 2 2 2 3 2 4 2 0 2 6 2 2 8 2 9 Aire acondicionado central Diferencia entre un sistema de enfriamiento directo y uno indirecto 2 2 1 Sistema directo 2 2 2 Sistema indirecto Tipos de chiller para aire acondicionado Chiller por compresi n de vapor Chiller con compresor reciprocante Secuencia de operaci n de los descargadores de cilindros Secuencia general de operaci n autom tica del chiller Descripci n del control de capacidad del chiller Descripci n de otros elementos de control en los equipos chillier 2 9 1 Control de temperatura del agua 2 9 2 Control de presi n de alta 2 9 3 Control de presi n de baja 2 9 4 Termostato de seguridad 2 9 5 Interruptor de flujo de agua flow switch 2 9 6 Control de presi n de aceite HI 39 40 40 40 42 45 45 47 47 48 48 49 50 51 52 57 99 99 99 60 60 60 61 2 10 2 11 2 9 7 Control de presi n para ventiladores del condensador Flujo de agua a trav s del chiller Algunos conceptos que se deben tomar en cuenta para seleccionar el chillier MANEJADORAS DE AIRE 3 1 3 2 Serpentines de enfriamiento 3 1 1 Algunos factores para seleccionar un serpent n de agua fr a 3 1 2 La carg
21. mantenerse b Incrementar la presi n del vapor refrigerante a trav s del proceso de compresi n y simult neamente incrementar la temperatura del vapor de tal manera que pueda ceder su calor al medio refrigerante del condensador 28 De acuerdo con el dise o de los compresores pueden dividirse de la siguiente forma A compresores de desplazamiento positivo alternativo rotativo helicoidal tornillo scroll B compresores cin ticos centr fugo Los compresores de desplazamiento positivo se clasifican as a causa de que la capacidad m xima es una funci n de la velocidad y el volumen del desplazamiento del cilindro Puesto que la velocidad es normalmente fija por ejemplo 1750 o 3500 rpm para compresores herm ticos alternativos t picos el volumen del gas refrigerante bombeado viene a ser una relaci n mec nica de carreras por minuto multiplicado por el volumen del cilindro El compresor cin tico algunas veces llamado turbo compresor es un miembro de una familia de turbo m quinas donde la fuerza de bombeo est sujeta a la velocidad del impulsor y al momento angular entre el impulsor que rota y el fluido que se mueve A causa de que sus flujos son continuos las turbo m quinas tienen mayor capacidad volum trica y tama o que las m quinas de desplazamiento positivo 29 Sin embargo por su dise o y costo no los hacen apropiados para aplicaciones peque as 50 toneladas o menos Las m qui
22. rechazado en el condensador incluye tanto el calor absorbido en el evaporador como la energ a equivalente del trabajo de compresi n Cualquier sobrecalentamiento absorbido por el vapor de succi n del aire de los alrededores tambi n forma parte de la carga del condensador Debido a que el trabajo de compresi n por unidad de capacidad refrigerante depende de la relaci n de compresi n la cantidad de calor rechazado en el condensador por unidad de capacidad refrigerante var a con las condiciones de operaci n del sistema El calor de compresi n var a con el dise o del compresor y es mayor para un compresor herm tico con enfriamiento en la succi n que para un compresor tipo abierto debido al calor adicional del motor absorbido por el gas refrigerante 1 3 2 2 Condensadores enfriados con agua Dentro de estos condensadores hay varios tipos como los de tubo y carcasa en forma vertical los de tubos y carcasa en forma horizontal de doble tubo y los atmosf ricos La selecci n de alguno de estos tipos depender de factores como los siguientes mb carga de enfriamiento N el refrigerante que se usar la fuente de agua de enfriamiento localizaci n f sica del condensador al los requerimientos de presi n de operaci n 23 1 3 2 2 1 Transferencia de calor La transferencia de calor puede ser medida en BTU minuto por cada tonelada de refrigeraci n 12000 BTU hr producidas en el evaporador Existen c
23. se al del control de temperatura del equipo que mide la temperatura del agua que entra y sale del evaporador del chiller y seg n como est graduado requerir m s o menos potencia del chiller a manera de mantener la temperatura del agua dentro de los par metros que se necesiten Algunos tipos de controles de capacidad para chillers son controles de pasos step controller que est n conformados con un eje de levas levas y micro switchs el eje de levas gira en uno u otro sentido seg n la temperatura que est midiendo el termostato las levas entonces accionan los micro switchs para conectar o desconectar compresores o sus solenoides de los descargadores de cilindros y de esa forma se esta variando la potencia del chiller seg n las condiciones de carga en determinado momento 57 Figura 19 Step Controller marca Honeywell modelo S684D Com n del microswitch El n mero de pares de Relay de recirculaci n microswitchs depende del modelo 4 terminal normalmente abierta Relay tipo balance terminal normalmente cerrada d zi A ajuste de posici n del eje de levas Conexi n para un retardador de Eje de levas tiempo Motor para sentido horario Motor para sentido contrario al horario Leva erminales para bajo voltaje Existen otros tipos de controles de capacidad para los chillers con el paso del tiempo son m s modernos y usan tecnolog as m s modernas como controles a base de relevadores de estado
24. se adaptan a usar evaporadores de expansi n seca o inundados Estos enfriadores consisten en un tanque cil ndrico de acero en el cual se tienen determinados n meros de tubos Cuando el enfriador trabaja a expansi n seca el refrigerante pasa por el interior de los tubos y el agua o l quido a enfriar fluye por el exterior de los tubos y en forma contraria cuando el evaporador es tipo inundado El rango de di metros usados en los cascos o tanques de los enfriadores tipo acorazados es de 6 a 60 pulgadas y el n mero de tubos var a desde unos 50 a varios miles dependiendo de la capacidad 1 3 1 3 Enfriador con evaporador inundado tipo tubo y carcasa El evaporador inundado es aquel en el cual el refrigerante l quido se vaporiza sobre el exterior de los tubos los cuales est n encerrados en una carcasa met lica Los tubos de estos evaporadores pueden estar dispuestos en forma recta o curva 19 El n mero y tama o de los tubos por pasada determinan la velocidad del l quido que atraviesa este intercambiador esta velocidad oscila generalmente entre 3 y 10 pies por segundo La siguiente figura ilustra un evaporador t pico de tubos inundados Figura 6 Enfriador acorazado con evaporador tipo inundado salida del liquido Salida del gas Entrada del refrigerante 2 Entrada del l quido Fuente Principios de refrigeraci n de Roy Dossat Los m todos para alimentaci n de refrigerante a un evaporado
25. y muchas ramificaciones o con ductos separados desde la manejadora Figura 22 Esquema de una manejadora de varias salidas de aire SALIDA 1 TOMA DE VENTILADOR SALIDA 2 AIRE FRESCO CENTRIFUGO Pi SERPENTIN DE AGUA FRIA SALIDA 3 SALIDA 4 TE Z FILTROS SALIDA 5 SALIDA 6 a SE E EF ES SALIDA 7 RETORNO DE lt AIRE PARA RECIRCULACION La figura 22 es un esquema de la vista en planta de una manejadora que tiene siete salidas de aire las cuales env an el aire a distintos ambientes en manejadoras de este tipo el suministro de aire a cada lugar puede regularse con compuertas dampers en cada una de las salidas de aire los dampers pueden manejarse con cilindros neum ticos o con motores el ctricos Otro tipo de manejadora central es la que tiene una sola salida de aire con un solo ducto y en todo el recorrido habr varias ramificaciones para descargar el aire en distintos puntos Otro tipo de manejadora son los denominados fan coils que son aparatos peque os de distribuci n de aire que se emplean para acondicionar peque os espacios independientes como por ejemplo una oficina en particular cada fan coils tiene su propio termostato En instalaciones de aire acondicionado central con equipos chillers es com n encontrar manejadoras centrales con las que se acondicionan reas generales como pasillos salas de espera recepciones etc Y los fan coils para reas pa
26. I l p i EE a ae DEG haa i p Le al a po Fi T i ri i E T m r f S IEG ri Fi a i E j Tee i DEg l p ns a i r Al i d f MEET yA f j EAVIN GHILLED Po Fi IATER TEMP 48 i ES j i T P me E pa L j j mb F E E ri f hai del q gt j E 4 al Se i E iiss M te T 7 ain EVA h f i j Eup Dia do A E E am k DES d e Yima ARA po e LO E ATA e aa 1 F e n a 1 F 5 y H e E DEG i A 3 Dj A A A O o O A E k 130 140 30 il 20 PACGITY TONS OF REFRIGERATION Fuente ASHRAE fundamentals and equipment Las intersecciones de cada curva de la temperatura de condensaci n condensig temp con cada una de las diferentes curvas de la diferencia de temperatura del agua refrigerada chilled water representan puntos de balance Como regla general los sistemas balanceados m s econ micos se encuentran entre 42 y 46 F del agua que sale del evaporador del chiller con flujos de agua entre 2 y 3 gpm tonelada El chiller que utiliza un condensador enfriado por agua deber tener aproximadamente un flujo de agua para el condensador entre 3 y 5 gpm ton Y recordemos que en este caso deberemos de tener una torre de enfriamiento para extraer el calor que el agua trae del condensador 66 Como hemos mencionado anteriormente la temperatura de condensaci n cuando usamos refrigerante 22 debiera de estar muy cerca de los 105 F para asegurar una apropiada ope
27. Universidad de San Carlos de Guatemala Facultad de Ingenier a Escuela de Ingenier a Mec nica CRITERIOS PARA LA SELECCI N DE EQUIPOS MEC NICOS EN SISTEMAS DE AIRE ACONDICIONADO QUE UTILIZAN EQUIPOS CHILLERS ENTRE 60 Y 110 TONELADAS Juan Francisco Quezada Escobar Asesorado por el Ing Roberto Guzm n Ortiz Guatemala abril de 2006 UNIVERSIDAD DE SAN CARLOS DE GUATEMALA FACULTAD DE INGENIER A CRITERIOS PARA LA SELECCI N DE EQUIPOS MEC NICOS EN SISTEMAS DE AIRE ACONDICIONADO QUE UTILIZAN EQUIPOS CHILLERS ENTRE 60 Y 110 TONELADAS TRABAJO DE GRADUACI N PRESENTADO A LA JUNTA DIRECTIVA DE LA FACULTAD DE INGENIER A POR JUAN FRANCISCO QUEZADA ESCOBAR ASESORADO POR EL ING ROBERTO GUZM N ORT Z AL CONFER RSELE EL T TULO DE INGENIERO MEC NICO GUATEMALA ABRIL DE 2006 UNIVERSIDAD DE SAN CARLOS DE GUATEMALA FACULTAD DE INGENIER A N MINA DE JUNTA DIRECTIA DECANO Ing Murphy Olympo Paiz Recinos VOCAL VOCAL II Lic Amah n S nchez lvarez VOCAL III Ing Julio David Galicia Celada VOCAL IV Br Kenneth Issur Estrada Ruiz VOCAL V Br Elsa Yazminda Vides Leiva SECRETARIA Inga Marcia Ivonne V liz Vargas TRIBUNAL QUE PRACTIC EL EXAMEN GENERAL PRIVADO DECANO Ing Herbert Ren Miranda Barrios EXAMINADOR Ing Osmar Omar Rodas Mazariegos EXAMINADOR Ing Esdras Feliciano Miranda Orozco EXAMINADOR Ing Carlos Humberto P rez Rodr guez SECRETARIA Inga Gilda Marina Castellanos Baiza de lllescas
28. a del serpent n 33 L nea del proceso del serpent n 3 1 4 Factores de contacto factor de derivaci n y temperatura superficial 3 1 5 Selecci n del serpent n Ventiladores de las manejadoras de aire 3 2 1 Presiones de un ventilador 3 2 2 Presi n est tica 3 2 3 Presi n din mica 3 2 4 Potencia del ventilador 3 2 5 Eficiencia del ventilador CIRCUITOS HIDR ULICOS EMPLEADOS EN LOS SITEMAS DE AIRE ACONDICIONADO 4 1 4 2 4 3 Materiales t picos para las tuber as Dise o del circuito de tuber as 4 2 1 Sistema con retorno directo 4 2 2 Sistema con retorno inverso Determinaci n del caudal de agua en todo el sistema IV 61 62 64 69 70 13 13 15 76 78 81 82 82 83 84 85 87 87 87 88 89 91 4 4 Determinaci n de la carga de la bomba 4 5 P rdida de presi n por fricci n Hf 4 6 Algunos criterios para seleccionar los di metros de tuber a 4 7 Potencia de la bomba 4 8 Ejemplo de un dise o hidr ulico para un sistema de aire acondicionado central con chiller CONCLUSIONES RECOMENDACIONES BIBLIOGRAF A 91 92 95 96 97 115 119 121 NDICE DE ILUSTRACIONES FIGURAS Gr fica Ph para un circuito de refrigeraci n Esquema componentes mec nicos de ciclo de refrigeraci n Gr fica Ph del ciclo saturado simple Curvas de rendimiento para el refrigerante 12 en el ciclo saturado simple Gr fica Ph ciclo con sub enfriamiento Esquema de un enriador acorazado o tubos y
29. a forma de evitar regreso de refrigerante l quido al carter del compresor cuando ste acaba de parar Los serpentines de enfriamiento de manejadoras se construyen de diferentes reas de dos o tres capas columnas de tuber as unas detr s de las primeras todo dependiendo de las condiciones para las que se requiera Los datos que debemos calcular para seleccionar un serpent n son el calor total que debe absorber la temperatura del agua y de cuantas capas se requiere para el n mero de capas se debe conocer el factor de contacto fc y la temperatura superficial TSE luego utilizar tablas como la Ill En el dise o de circuitos hidr ulicos para el agua de suministro y de retorno para cada manejadora en sistemas cerrados como son los sistemas de aire acondicionado por medio de agua fr a es m s conveniente utilizar el sistema de retorno inverso que el de retorno directo ya que se obtendr una mejor distribuci n de caudales de agua para cada manejadora 117 RECOMENDACIONES Es bueno hacer notar que b sicamente el trabajo se bas con equipos chillers reciprocantes pero muchas unidades ahora pueden incluir otros tipos de compresores como los tipo scroll los de tornillo o los centr fugos por lo que ser a bueno hacer un estudio de las ventajas de estos compresores para instalaciones de mediana capacidad Hay chillers que trabajan con el ciclo de refrigeraci n por absorci n que es completamente diferente al ciclo por
30. a parte de aire que no toca la superficie y por lo tanto no se enfr a por este mecanismo tanto el aire que toca y el que no toca el serpent n juntos atraviesan el serpent n por lo que fc fd 1 La temperatura de la superficie exterior de un serpent n no es uniforme en toda la superficie debido a varios factores sin embargo podemos suponer una temperatura promedio a la que se llama temperatura superficial efectiva TSE Se puede considerar que sta es la temperatura a la cual se enfr a el aire que toca la superficie 76 La cantidad de aire que circunda o deriva la superficie depende del tama o y espaciamiento de los tubos la velocidad superficial del aire y del n mero y disposici n de los tubos sucesivos Ahora relacionaremos el factor de contacto fc y la temperatura superficial TSE El fc para un serpent n es la relaci n de la longitud de la l nea de proceso del serpent n con la longitud total de dicha l nea prolongada hasta la temperatura superficial efectiva TSE a lo largo de la l nea de saturaci n Tomando los datos de la figura 25 podemos calcular el fc para se caso en particular fc 85 70 85 60 0 6 Tabla lll Factores de contacto fc t picos para serpentines de enfriamiento con aletas Modecapas a0 500 eoo 400 so 00m CIA os oe om os o o 2 4 e a w o e ej Fuente Acondicionamiento del aire principios y sistemas de Edward G Pita Generalmente de
31. abaja conforme al principio del cambio proporcional de la resistencia de un metal con el cambio de la temperatura del medio donde se encuentra Punto o par metro de referencia en un dispositivo de control de acuerdo al valor que se le determine al dispositivo de control set point ste reaccionar a los cambios de la variable que se est midiendo a manera de mantenerla siempre dentro de un rango lo m s cercano al determinado Dentro del sistema de refrigeraci n espec ficamente en el evaporador la v lvula de expansi n regula el flujo de refrigerante l quido a ste y trata que a la salida del evaporador el refrigerante ya no se encuentre en forma de l quido saturado sino en forma de gas recalentado La temperatura de un gas recalentado es superior a la mezcla gas l quido saturado a la misma presi n XVIII Termopar TEV Muchas v lvulas de expansi n trabajan a diez grados de sobrecalentamiento superheat Elemento que mide la temperatura trabaja conforme al principio del cambio proporcional de voltaje en un circuito formado por dos metales de propiedades diferentes con el cambio de temperatura del ambiente donde se encuentran V lvula de expansi n termost tica XIX RESUMEN El trabajo criterios para la selecci n de equipos mec nicos en sistemas de aire acondicionado que utilizan equipos chillers entre 60 y 110 toneladas proporcionar criterios t cnicos necesarios para la selecci n
32. aire viaja por ductos hasta los diferentes ambientes a acondicionar Figura 14 Esquema del circuito de refrigeraci n directo CONDENSADOR VALVULA DE EXPANSI N TUBER AS DE GAS REFRIGERANTE D MANEJADORA va EVAPORADOR USA ple Y GAS Tai Y REFRIGERANTE COMPRESOR La figura 14 representa un circuito de refrigeraci n para un sistema de aire acondicionado en forma directa la manejadora de aire tiene un evaporador de expansi n seca que en otras palabras es un intercambiador de calor entre el gas refrigerante dentro del evaporador y el aire que pasa sobre su serpent n Un sistema central de enfriamiento indirecto es cuando el sistema esta conformado por un equipo de enfriamiento en forma de paquete dentro de este paquete tenemos uno o varios compresores un condensador enfriado por agua o aire un evaporador que generalmente es de tipo expansi n seca de tubos y carcasa acorazado un control de flujo de refrigerante que usualmente es una v lvula de expansi n termost tica y por supuesto alg n refrigerante en aire acondicionado se a usado mucho el refrigerante 22 cuando se emplean compresores reciprocantes a este equipo paquete se le llama chiller En el sistema central con chiller se enfr a agua el agua es bombeada a una gran cantidad de manejadoras dispuestas por todo el edificio y en stas se enfr a el aire que llega hasta los diferentes ambientes 46 Figura 15 Esquema del ch
33. ar el refrigerante bajo condiciones de baja presi n deseadas en el evaporador 1 3 4 1 V lvula de expansi n manual Estas son v lvulas de aguja operadas manualmente La raz n de flujo de l quido a trav s de la v lvula depende del diferencial de presi n a trav s del orificio de la v lvula y el grado de abertura de la v lvula esta ltima ajustada manualmente La principal desventaja de sta es que no responde a los cambios de la carga del sistema y si de deben hacer ajustes se hacen manualmente 1 3 4 2 V lvula de expansi n autom tica Tambi n llamada de presi n constante mantiene una presi n constante en el evaporador mientras el compresor est en operaci n En esta v lvula con diafragma la presi n en el evaporador efect a el movimiento del diafragma al cual est sujeto el conjunto de aguja La condici n de estabilidad en el flujo de refrigerante y evaporaci n es necesaria para la correcta operaci n de la v lvula como con la anterior v lvula que describimos su uso se limita a condiciones de carga m s o menos constantes en el evaporador 1 3 4 3 V lvula de expansi n termost tica TEV Debido a su alta eficiencia y a lo f cil de adaptarse a cualquier sistema de refrigeraci n esta v lvula es la que m s ampliamente se utiliza en muchas aplicaciones de la refrigeraci n como lo son los equipos chillers para aire acondicionado 40 Esta v lvula se basa en mantener un grado constante de so
34. bemos conocer las condiciones del aire en la toma de la manejadora y tambi n debemos conocer las condiciones a las que debe de salir el aire de la manejadora entonces podemos graficar la l nea de proceso del serpent n como en la figura 25 luego calculamos el factor de contacto fc 11 Para el serpent n de la figura 25 se calcul el fc 0 6 por ejemplo si se tiene que manejar una velocidad superficial de 400 pies min con la tabla Ill vemos que un serpent n de 2 capas funcionar a bien La velocidad superficial del aire es el flujo volum trico del aire CFM dividido entre el rea superficial proyectada del serpent n rea superficial del serpent n CFM velocidad superficial En la tabla IV es una parte del cat logo de un fabricante de manejadoras de aire donde seg n los modelos nos da informaci n de capacidad del serpent n ca da de presi n de agua dentro del serpent n de 3 o 4 columnas de tuber a etc 3 1 5 Selecci n del serpent n La selecci n del serpent n de enfriamiento de una manejadora de aire depende de factores como los siguientes 1 La cantidad de calor sensible y latente que debe transmitir el aire 2 El estado del aire que entra y sale sus temperaturas de bulbo seco y h medo humedades relativas y espec ficas 3 La construcci n del serpent n el n mero y tama o de las aletas el tama o y el espaciamiento del tubo y el n mero de capas 4 La velocidad superficial
35. ber a 103 Por ejemplo el tramo ABCD tiene una longitud total de 71 7 pies y encontramos una p rdida por fricci n hf de 1 75 pies de agua por cada 100 pies de tuber a Entonces para el tramo ABCD tomando en cuenta solo la longitud tendr amos una p rdida por fricci n de 71 7 1 75 100 1 25 pies El mismo procedimiento con todos los tramos que se identificaron y la sumatoria representa la p rdida por fricci n debida a la tuber a Tambi n se calcular n las p rdidas menores o por accesorios cada accesorio representa una longitud equivalente m s al circuito luego esta longitud equivalente se suma a la longitud total del tramo al que pertenece y se calcula la p rdida por fricci n incluyendo todos los accesorios Por ejemplo el tramo ABCD tiene 4 codos a 90 cada uno el di metro de ste tramo es de 3 2 pulgadas en la tabla VI buscamos la longitud equivalente para codo a 90 leemos 9 5 pies En el tramo ABCD tiene una longitud equivalente debida a los 4 codos de 4 9 5 38 pies A sos 38 pies por codos le calculamos su p rdida por fricci n recordando tienen un di metro de 3 Y pulgadas y su p rdida por fricci n es tambi n de 1 75 pies de agua por cada 100 pies de tuber a 38 1 75 100 0 66 pies 104 Entonces el tramo ABCD tiene una p rdida por fricci n debida a la longitud y los codos de 0 66 1 25 1 91 pies pero en el tramo ABCD tambi n hay tees y otros tramos tienen v lvula
36. brecalentamiento de la succi n en la salida del evaporador circunstancia que permite mantener al evaporador completamente lleno de refrigerante bajo las condiciones de carga del sistema sin peligro de derramar l quido dentro de la tuber a de succi n Por lo anterior esta v lvula es pr cticamente adecuada para el control del refrigerante en sistemas que est n sujetos a variaciones grandes y frecuentes de la carga La caracter stica de operaci n de la v lvula de expansi n termost tica resulta de la interacci n de tres fuerzas independientes 1 la presi n del evaporador 2 la presi n ejercida por el resorte 3 la presi n ejercida por la mezcla de l quido vapor que se tiene en el bulbo remoto En la mayor a de los caso el l quido que utilizan los bulbos de las v lvulas de expansi n es el mismo refrigerante que se utiliza en el sistema Raz n por la cual cuando se compra una v lvula de expansi n termost tica hay que especificar para que refrigerante se requiere El bulbo est puesto firmemente al tubo de la salida del evaporador donde responder a los cambios de temperatura que el vapor refrigerante tenga en dicho punto estos dos puntos se puede decir que se encuentran a la misma temperatura por lo que se puede asumir que la presi n ejercida por el fluido en el bulbo siempre ser igual a la presi n de saturaci n de la mezcla l quido vapor en el bulbo correspondiente a la temperatura del vapor en el tubo de
37. ch GLOSARIO Equipo electromec nico usado en sistemas de aire acondicionado central ste equipo consiste en un sistema de refrigeraci n con todos sus componentes integrados compresores condensadores evaporadores paneles el ctricos de potencia y control Es una compuerta generalmente motorizada en sistemas de d ctos de aire se usa para habilitar o cerrar el paso de aire por determinado camino Equipo usado en sistemas de aire acondicionado que funciona por medio de agua fr a el fan coil consiste en un serpent n de agua fr a y uno o dos ventiladores centr fugos que hacen circular el aire por el serpent n ste t rmino se aplica cuando el refrigerante l quido esta pr ximo de llegar a la v lvula de expansi n una parte del refrigerante se evapora antes de llegar a sta tambi n se le llama fen meno de evaporaci n s bita Dispositivo de control de seguridad del chiller que evita que el equipo permanezca trabajando cuando el flujo de agua a trav s de ste se detuvo por cualquier motivo XVII Pump down Pir metro Resistor Set point Superheat De esta manera se le llama al procedimiento de apagado de un equipo de refrigeraci n cuando ste empieza a acumular el refrigerante en el condensador y sacarlo del evaporador luego se detiene el compresor Dispositivo electr nico que mide temperatura con la ayuda de un termopar o un resistor Elemento que mide la temperatura tr
38. compresi n de vapor las instalaciones de aire acondicionado que se describieron en este trabajo se basan en el de compresi n de vapor Ser a interesante hacer una comparaci n entre estos dos tipos de chillers y comparar las ventajas de uno sobre otro Los fabricantes de equipos mec nicos como los chillers siempre est n modificando sus equipos a manera de hacerlos m s eficientes con los chillers son los sistemas de control como el control de capacidad los dispositivos de medici n de temperatura y otros los que han cambiado y apuntan cada vez m s al uso de equipo electr nico por lo que es muy importante mantenerse actualizado en las nuevas tecnolog as como los controladores l gicos programables PLC En las instalaciones de aire acondicionado el aire es conducido por medio de ductos por lo que es necesario manejar la mec nica para el correcto dise o 119 BIBLIOGRAF A Air conditioning and refrigeration institute Refrigeraci n y aire acondicionado Colombia Prentice Hall inc 1979 873pp Althouse y otros Modern refrigeration and air conditioning Illinois The Goodherart Willcox company inc 2000 1211pp ASHRAE Fundamentals and equipment Wisconsin George Banta co inc 1961 880pp Carrier Installation star up and service instructions reciprocating liquid chillers 3OGA085 14pp Carrier Manual de aire acondicionado Espa a Maracombo 1986 664pp Dossat Roy Principios de refrige
39. d de calor que el calor de evaporaci n por libra a la presi n que se encuentre En otras palabras el efecto de refrigeraci n ser a el mismo que el calor de vaporizaci n La temperatura del refrigerante l quido que est pr ximo a la v lvula por lo general es siempre mayor que la temperatura de evaporaci n del refrigerante dentro del serpent n del evaporador por consiguiente el efecto de refrigeraci n es siempre menor que el calor de vaporizaci n En un ciclo te rico de refrigeraci n el refrigerante absorbe calor solamente cuando fluye por el evaporador sin embargo cuando el refrigerante l quido fluye por las tuber as entre la v lvula de expansi n y el evaporador podr ganar o perder calor dependiendo de s la temperatura del aire alrededor de stas tuber as es mayor o menor que la temperatura del refrigerante en este punto Ahora el refrigerante que fluye precisamente por la v lvula de expansi n no perder ni ganar calor como lo mencionamos anteriormente en el proceso de estrangulamiento el refrigerante no cambia de entalp a Supongamos un sistema que usa refrigerante R 12 que esta trabajando a una presi n de 37 psig dentro del evaporador la mayor temperatura a la cual es posible tener el refrigerante l quido a esa presi n es de 40 F ver tabla Tabla Il Tabla resumida de propiedades del refrigerante 12 MIO II IC GI Ka 12 42 86 75 oO 2 o 16 38 64 64 81 03 PRESION Densidad Lb pie Ental
40. das de presi n total m xima presi n media Clase Ill 12 1 4 pulgadas de presi n total m xima presi n alta Clase IV por encima de 12 1 4 pulgadas presi n alta Las presiones est n expresadas en pulgadas de columna de agua La mayor a de aplicaciones de aire acondicionado de tama o promedio est n dentro de los requisitos de las clases y Il 3 2 1 Presiones de un ventilador Al funcionar los ventiladores desarrollan una presi n total la cual est compuesta de dos partes presi n din mica y presi n est tica En determinadas circunstancias alguna de ellas pudiera ser cero Pr Pe Pp 3 2 2 Presi n est tica Pe Es la parte de la presi n del aire debida solamente al grado de compresi n del mismo O bien es la fuerza por unidad de superficie ejercida en todas las direcciones y sentidos al margen de la direcci n y sentido de la velocidad 82 La presi n est tica puede existir sin necesidad que el fluido este en movimiento ya que todo el fluido ejerce una presi n sobre las paredes que lo contienen ductos etc Cuando la expresamos como presi n manom trica puede ser positiva O negativa tomando como referencia la presi n atmosf rica del lugar Positiva cuando es mayor que la atmosf rica y negativa cuando es al contrario Dentro de un sistema de ductos debemos tener presi n positiva del lado de la descarga del ventilador hasta las rejillas de salida del aire y pudi ramos ten
41. de equipos que conforman un sistema central de aire acondicionado com nmente instalados en hospitales hoteles teatros edificios de oficina etc Dentro de los equipos que forman parte de un sistema central se encuentran el chiller que es un equipo de enfriamiento de agua las manejadoras de aire donde se encuentran serpentines o intercambiadores de calor en donde el agua fr a absorbe calor del aire que pasa por ste otra parte de este sistema es la red hidr ulica que b sicamente la conforman las bombas de agua tuber as de conducci n y accesorios en esta parte se proporcionar informaci n sobre las formas de construir una red de tuber as de conducci n de agua de suministro hacia las manejadoras y de retorno al chiller analizando las ca das de presi n por fricci n y el caudal de agua total que manejar n las bombas Referente a los equipos chillers se dar informaci n sobre las partes que lo componen compresores condensadores evaporadores v lvulas de expansi n etc Los chillers comprendidos entre 60 y 110 toneladas generalmente se denominan chillers reciprocantes debido al tipo de compresores que usa de pistones se dar informaci n sobre capacidades criterios para seleccionarlos funcionamientos generales de operaci n y accesorios auxiliares XXI Las manejadoras de aire son intercambiadores de calor conformados con serpentines de agua fr a y ventiladores centr fugos el aire atraviesa el serpent n por
42. del aire esto es el flujo volum trico de aire CFM dividido entre el rea superficial proyectada del serpent n 78 Los serpentines con tubos aleteados para agua son seleccionados con base en los pies cuadrados de cara que se necesitan las filas y las distancias ente aletas y la profundidad en las filas 79 Tabla IV Datos t cnicos de manejadoras Dunham Bush 80 F bul Seco 67 F bul 75 F bul Seco 62 F bul 75 F bul Seco 62 F bul suministro NO H m H m H m de aire colum AA cap mbh cap mbh ht ht cfm nes total sensible gom total sensible gom 2400 3200 3500 VCB160C 3 135 98 1 26 8 2 85 85 18 4 4 74 73 9 15 3 3 4600 4800 VCB220C 3 187 127 5 112 2 9 2 98 5400 6400 8000 9200 HCB380C 4 372 246 2 70 22 253 VOB480C 282 9 2479 54 13 12000 Notas la capacidad se basa en 44 F para la entrada de agua al serpent n y 54 F a la salida modelo BEM Co 3 92 6 19 6 3 N 8 77 6 16 3 7 N N 20 3 4 21 6 8 1152 20 15 9 8 1 12 133 4 29 7 9 1444 31 9 8 97 8 1633 34 2 5 h N al mb NM o P e al mb mb 1443 41 18 7 216 5 46 9 8 N mb mb w els 00 N P gpm galones por minuto de agua helada por el serpent n hf p rdida de presi n de agua al pasar por el serpent n en pies de columna de agua Fuente Cat logo de unidades manejadoras de aire para chillers
43. den del tama o del cilindro siendo com n di metros de 5 8 hasta 2 pulgadas y el n mero de estos oscila entre unos 10 hasta mil o m s 25 1 3 2 4 Condensadores de doble tubo El de doble tubo consiste en dos tubos dispuestos de tal forma que uno queda dentro del otro el agua pasa a trav s del tubo interno mientras que el refrigerante fluye en direcci n contraria Siempre es deseable tener a los fluidos en contra flujo esto para cualquier cambiador de calor ya que con esto se tiene diferencia de temperatura entre los fluidos 1 3 2 5 Condensadores enfriados con aire La circulaci n de aire sobre un condensador de este tipo puede ser por convecci n natural o forzada Los condensadores enfriados con aire forzado utilizan uno o varios ventiladores para forzar el aire a trav s de los tubos del condensador De este tipo existen 2 categor as que son el tipo paquete y el remoto 1 3 2 5 1 Tipo paquete Este condensador se encuentra instalado sobre la misma estructura del compresor y a este paquete suele llamarse la unidad condensadora 26 Figura 9 Unidad condensadora condensador enfriado con aire ventiladores E m RARA din e AIRIS EII AA 10 Donn MS AAA AAA NAAA FIIIT ERAS TN OA A r IARR i FRAGA LAS r HT U compresores Fuente Modern refrigeration and air conditioning Althouse Turnquist Bracciano 1 3 2 5 2 Tipo remoto Este tipo de condensador est instalado por se
44. doras que utilizar un sistema de enfriamiento directo con gas refrigerante hasta las manejadoras ya que cuanto m s lejos est n localizadas stas del chiller los compresores realizar n trabajo extra de bombeo de refrigerante Los equipos chillers de enfriamiento de agua tienen una capacidad de trabajo m xima pero pueden variar su carga de entrega en diferentes momentos dependiendo de la potencia que le sea requerida en diferentes momentos del d a por esto la potencia m xima esta dividida en varios compresores que pueden trabajar desde solo uno o todos juntos seg n la carga de calor que se tenga Cada compresor tambi n puede variar su capacidad de trabajo usando todos sus cilindros o solo algunos seg n sea el caso 116 Siempre se debe evitar que alguna parte de refrigerante l quido regrese al compresor cuando el compresor esta trabajando corremos el peligro de da ar partes mec nicas como las v lvulas o los pistones Cuando ste est parado el refrigerante l quido se mezcla f cilmente con el aceite del compresor bajando mucho el nivel en el carter cuando arranca de nuevo Para el primer caso debe graduarse correctamente la v lvula de expansi n a manera de mantener unos 10 grados de sobrecalentamiento en el refrigerante a la salida del evaporador y hacer un buen intercambio de calor con las l neas de refrigerante l quido y la succi n del compresor Para el segundo caso el apagado pump down del compresor es una buen
45. e aire con tablas de los fabricantes o calcular algunos factores necesarios para poder solicitar un equipo adecuado para las necesidades que se deban suplir en una ampliaci n o modificaci n de un sistema ya instalado XXVI 1 PRINCIPIOS DE REFRIGERACI N Y COMPONENTES DEL CICLO DE REFRIGERACI N POR COMPRESI N DE VAPOR 1 Teor a de refrigeraci n La ciencia de la refrigeraci n est basada en el hecho de que un l quido puede ser vaporizado a cualquier temperatura deseada cambiando la presi n a la que se encuentre ste El agua bajo la presi n atmosf rica ordinaria de 14 7 psia se evaporar al incrementar su temperatura a 212 F La misma agua contenida en un tanque bajo una presi n de 67 013 psia no se evaporar hasta que alcance los 300 F Si tenemos agua en un tanque cerrado a una temperatura de 100 F sta empezar a evaporarse si la presi n se reduce a 0 9492 psia usando una bomba de vac o De hecho el agua puede evaporarse a temperaturas menores de 100 F si la presi n es lo suficientemente baja por ejemplo a 40 F s la presi n se reduce a 0 1217 psia Los l quidos que hierven a bajas temperaturas son los m s deseables como medio para transportar calor Relativamente grandes cantidades de calor se absorben cuando los l quidos se evaporan Muchos de los l quidos usados como refrigerantes se evaporan a temperaturas menores de O F bajo presiones atmosf ricas normales El cloruro de metilo s
46. e caer mas all de los par metros de dise o Este control se conecta directamente a la tuber a de descarga de refrigerante del sistema y estar monitoreando la presi n en el lado de alta presi n 2 10 Flujo de agua a trav s del chiller Para obtener mayor eficiencia del chiller necesitamos que el sistema trabaje balanceadamente uno de los factores necesarios es un flujo constante de agua a trav s del chiller 62 Figura 20 Esquema de conexiones hidr ulicas del chiller con los serpentines de enfriamiento y las v lvulas de 3 v as gt D b D D C C C A A A A A B Agua que regresa al chiller A cargada de calor ra p Ni Agua saliendo del chiller enfriada En la figura 20 vemos un esquema b sico de conexiones hidr ulicas de un chiller con sus manejadoras de agua fr a las letras identifican lo siguiente A bomba de agua fr a B chiller C manejadoras de agua fr a serpentines D v lvulas de tres v as Un constante flujo de agua a trav s del sistema mostrado en la figura 20 se logra con el empleo de v lvulas de tres v as en los serpentines de agua fr a las v lvulas controlan el flujo dentro de los serpentines Las v lvulas de tres v as son gobernadas por alg n mecanismo el ctrico o neum tico y estos a su vez por un control de temperatura que esta midiendo la temperatura del ambiente en donde est n descargando el
47. e evapora a 10 8 F el amoniaco 28 F el refrigerante 22 a 41 4 F 1 1 1 Unidades de capacidad Antes de la era de la refrigeraci n mec nica el hielo fue usado para la preservaci n de los alimentos una tonelada de hielo se funde a 32 F en 24 horas absorbiendo calor a una raz n de 12000 BTU hora 1 tonelada de refrigeraci n 144 BTU Lb 2000 Lb 24 horas 12000 BTU hr Este concepto se mantiene dentro del campo de la refrigeraci n mec nica donde un sistema de refrigeraci n que tiene la capacidad de extraer calor a una raz n de 12000 BTU hr se dice que tiene una capacidad de 1 tonelada Note que en este caso 1 tonelada es una raz n de flujo de calor Por ejemplo un equipo de aire acondicionado de 5 toneladas significa que es capaz de absorber calor a una raz n de 60000 BTU por hora en el evaporador 1 1 2 Efecto de refrigeraci n La cantidad de calor que cada libra de refrigerante absorbe mientras fluye por el evaporador se denomina efecto de refrigeraci n Cada libra de refrigerante que circula por el evaporador es capaz de absorber solamente el calor necesario para evaporarse si es que el sobrecalentamiento no toma lugar el efecto de sobrecalentamiento se discutir m s adelante si cuando el refrigerante l quido se aproxima a la v lvula de expansi n se encontrara exactamente a la temperatura en que se evaporar a dentro del serpent n del evaporador ste entonces podr a absorber la misma cantida
48. eN 1 E _ _ ASS 10 F Superheat Fuente Modern refrigeration and air conditioning Althouse Turnquist Bracciano Entonces el vapor que sale del evaporador lugar donde se fij el bulbo de la v lvula de expansi n se encuentra sobrecalentado 10 grados sobre la temperatura de saturaci n del refrigerante dentro del evaporador Con este superheat logramos mantener refrigerante l quido solamente dentro del evaporador y que no llegue al compresor 43 2 EL CHILLER PARA AIRE ACONDICIONADO 2 1 Aire acondicionado central Denominamos a un sistema de aire acondicionado central cuando ya no tenemos equipos individuales para determinados ambientes exclusivamente sino todo un sistema conformado por una o varias unidades manejadoras de aire un equipo de enfriamiento un sistema de ductos de aire etc El sistema central conformado principalmente con lo que mencionamos en el anterior p rrafo tiene como funci n acondicionar la mayor cantidad de ambientes localizados dentro de alg n lugar como por ejemplo un edificio En un hotel por ejemplo tenemos habitaciones pasillos oficinas salas de conferencia y muchos m s Un sistema central de enfriamiento directo es cuando el sistema esta conformado por un equipo enfriador unidad condensadora una o varias manejadoras de aire las que est n compuestas por un evaporador serpent n donde se expande el gas refrigerante y por encima pasa el aire al cual se le absorbe calor el
49. el tiempo de llegada hasta la salida del evaporador de tal manera que solo llegue vapor a la entrada del compresor generalmente se utiliza una v lvula de expansi n termost tica para controlar el flujo de refrigerante Los evaporadores completamente inundados trabajan con refrigerante l quido con lo cual se llenan por completo a fin de tener humedecida toda la superficie interior de los tubos y en consecuencia la mayor transferencia de calor posible El evaporador inundado est equipado con un acumulador o colector de vapor que sirve como receptor de l quido desde el cual el refrigerante l quido circula por gravedad a trav s de los circuitos del evaporador El nivel de l quido se mantiene m s bajo o m s alto mediante un control de flotador y el vapor generado por la acci n de ebullici n del refrigerante en los tubos se separa del l quido en la parte superior del acumulador de donde es sacado directamente a trav s de la l nea de succi n con el gas que se forma como consecuencia de la reducci n de presi n del refrigerante desde la presi n del condensador hasta la presi n del evaporador 18 1 3 1 2 Enfriadores de tubo y carcasa acorazados Los enfriadores acorazados tienen una eficiencia relativamente alta requieren un m nimo espacio en el piso y poca altura del lugar donde est n alojados su mantenimiento es sencillo y f cilmente se adapta a casi todos los casos de enfriamiento de l quidos Estos enfriadores
50. encia de transferencia de calor en cada intercambiador de calor datos proporcionados por los fabricantes la p rdida de calor en tuber as y ductos aunque stos debes estar debidamente aislados Otro aspecto significante es la capacidad del equipo para variar su capacidad de entrega de potencia dependiendo de las fluctuaciones de carga que se le requieran estas fluctuaciones de carga son muy comunes y los equipos tienen diversos mecanismos para acomodarse a estos cambios Puede tomarse en forma aproximada la siguiente relaci n de potencia de un chiller 1 tonelada cada HP de los compresores Y aproximadamente de 2 toneladas cada HP de los compresores Cuando el equipo es mayor de 250 toneladas de refrigeraci n de potencia Los equipos chillers est n dise ados para operar de forma que entreguen agua refrigerada de una forma muy econ mica dentro de un rango amplio de condiciones Curvas caracter sticas de operaci n de un chillers se presenta en la siguiente gr fica 65 Figura 21 Curvas t picas de balance para equipos chillers F OS a El ES F i Jr j j a Eh gt i Fi j F l 44 An a mheann ai fi j i gt f _ por Ms dy M P j os DEG A ima o ER F he hr i EME ao ij a E i m Pa Pi j i fa F DE a Jl 1 l O e f LEO PA L AN li i J E Hr 3 7 A 7 e 50 P gt J 3 j s At j 7 j e t F m Fi li F NG F i ED EL TEMP 45 A A l j L FEL
51. er ser la diferencia entre la entalp a del vapor refrigerante que sale del evaporador h menos la entalp a del refrigerante l quido que esta entrando a la v lvula de expansi n ha Estos valores solamente tenemos que leerlos de la gr fica P h ER 108 39 69 BTU Lb El flujo de refrigerante por tonelada es m 200 BTU min 69BTU Lb 2 90 Lb por minuto por tonelada La raz n de flujo de refrigerante para el sistema de 60 Ton 2 90 60 174 Lb min b El cambio de entalp a durante el proceso de compresi n es la diferencia de entalp a del vapor que entra y sale del compresor hy ho 118 108 10BTU Lb c Te ricamente el calor disipado en el condensador es el total del calor absorbido en el evaporador y el calor en el proceso de compresi n ho hb ha ho 108 39 118 108 69 10 79 BTU Lb q 79 174 13746 BTU minuto 1 1 4 Coeficiente de rendimiento El coeficiente de rendimiento abreviado COP es la raz n del efecto de refrigeraci n y el trabajo suministrado ambos expresados en las mismas unidades COP ER trabajo efectuado por el compresor Para el ejemplo anterior el COP 69 10 6 9 Entonces dir amos que 6 9 BTU pueden ser removidos del evaporador a expensas de 1 BTU de potencia 1 2 Ciclos de refrigeraci n 1 2 1 Ciclo de compresi n b sico Todos los sistemas de refrigeraci n independientemente del tipo de co
52. er presi n negativa en la succi n del ventilador 3 2 3 Presi n din mica Pp Es la parte de la presi n debida solamente al movimiento del aire Tambi n podemos decir que la presi n din mica de una corriente de aire es la fuerza por unidad de superficie que equivale a la transformaci n ntegra de la energ a cin tica de presi n La presi n din mica es siempre positiva y se manifiesta nicamente en el sentido de la velocidad Pp DVS 29 Pp presi n din mica en Lb pie se expresa com nmente en pulg de columna de agua D densidad del aire en condiciones normales 0 075 Lb pie g aceleraci n de la gravedad 32 2 pies seg V velocidad del fluido pies seg 83 La presi n total del ventilador es la diferencia entre la presi n total de salida y presi n total en la entrada del ventilador Los fabricantes de ventiladores representan las capacidades con curvas de funcionamiento o tablas en las que se puede comparar para determinados di metros de rodetes o impulsores los CFM la presi n est tica potencia y eficiencia Un factor que influye en las caracter sticas del ventilador es la densidad del aire en la toma y generalmente se asume en condiciones normales 0 075 lb pie 702 F y 29 92 pulgadas de mercurio presi n atmosf rica al nivel del mar Para seleccionar un ventilador se debe conocer la resistencia total de los ductos y del serpent n de enfriamiento en forma de p
53. etorno directo siempre es desequilibrado y exige utilizar v lvulas en cada manejadora para contrarrestar se efecto este sistema es m s ventajoso en sistemas tipo abierto Un sistema tipo abierto puede ser las tuber as de suministro y retorno de un condensador enfriador por agua con su torre de enfriamiento 90 4 3 Determinaci n del caudal de agua en todo el sistema El caudal total que deber manejar la bomba del sistema es la suma de los caudales que necesitamos en cada una de las unidades de enfriamiento En los sistemas de agua fr a la temperatura del agua que debe proporcionar el chiller var a entre 40 y 50 F y generalmente se tienen aumentos de temperatura en el agua de retorno de 5 a 15 F Existe una f rmula que nos ayuda a determinar el caudal de agua en funci n del calor que tendr que asimilar y los cambios de temperatura Q 500 gpm t2 t1 Q la carga de calor que deber absorber el agua BTU hr esta carga de calor es la carga del serpent n que vimos en el capitulo anterior gpm caudal en galones minuto los despejamos de la formula t2 y t1 las temperaturas del agua a la entrada y salida del serpent n 4 4 Determinaci n de la carga de la bomba Como la red de tuber a en este caso es un sistema cerrado no tenemos cambio neto de de elevaci n el cambio de velocidad en la entrada y la salida es cero entonces la carga total de la bomba es igual a la p rdida de presi n po
54. ga total del serpent n es la suma del calor latente y sensible que se calculen Qr Qs QL El calor total tambi n podemos encontrarlo directamente de la carta psicrom trica restando las entalp as de saturaci n del aire de las condiciones de entrada salida Qr 4 5 CFM h h3 En general se escogen valores de temperatura del aire de suministro de modo que la diferencia entre la entrada y la salida se encuentren entre un rango de 15 F y 30 F 3 1 3 L nea de proceso del serpent n La l nea de proceso del serpent n se gr fica sobre la carga psicrom trica con las caracter sticas del aire de entrada y las de salida del serpent n Por ejemplo s las propiedades en la toma de aire de la manejadora son temperatura de bulbo seco 85 F temperatura de bulbo h medo 75 F y las respectivas temperaturas en la salida del serpent n son de 68 F y 60 F gr ficamente tendr amos 75 Figura 25 L nea de proceso del serpent n A e eS Pa S LL S 1 a PERA TUR A S UBO yy gt E 60 de J TEMPERATUA DE BULBO SECO La l nea de proceso del serpent n para el caso anterior es la l nea recta que va desde el punto 1 al 2 3 1 4 Factor de contacto factor de derivaci n y temperatura superficial El factor de contacto fc se define como la parte del aire que pasa por el serpent n que toca la superficie de enfriamiento y se enfr a por este mecanismo El factor de derivaci n fd se define como l
55. hidr ulico de manejadora 2A Longitud del circuito hidr ulico de manejadora 2B Longitud del circuito hidr ulico de manejadora 1A Longitud del circuito hidr ulico de manejadora 1B Resumen del c lculo de p rdida por fricci n del ejemplo XI 95 98 98 99 99 99 99 113 LISTA DE S MBOLOS n Eficiencia mec nica q Flujo de calor m Flujo de masa ER Efecto de refrigeraci n COP Coeficiente de rendimiento del ciclo de refrigeraci n h Entalp a Vo Flujo volum trico We Trabajo de compresi n BTU Unidad t rmica brit nica V Volumen espec fico de refrigerante HP Potencia en caballos de fuerza min minuto CFM Flujo volum trico de aire en pies minuto XMI ton psi psia psig lt o AMCA Pr Pe Pp Hf Tonelada de refrigeraci n Presi n en Lb pulgada Presi n absoluta en Lb pulg Presi n manom trica en Lb pulg Refrigerante Flujo de agua en galones por minuto por tonelada de refrigeraci n Calor Temperatura Air moving and conditioning association Presi n total de aire Presi n est tica de aire Presi n din mica de aire Densidad de aire Aceleraci n de la gravedad P rdida de presi n por fricci n dentro de tuber as XIV hf P rdida de presi n por fricci n dentro de WHP Potencia de agua en caballos de fuerza BHP Potencia al freno en caballos de fuerza XV Chiller Damper Fan coil Flash gas Flow swit
56. idad pies seg 2 Y 1 7 2 5 4 69 Seleccionamos un di metro de tuber a de 2 1 2 con el tubo de 2 la p rdida por fricci n es muy grande Tramo lJ Caudal 46 gpm Longitud 9 84 Las caracter sticas de este tramo son iguales a las del tramo EF por lo que seleccionamos tambi n un di metro de tuber a de 2 2 pulgadas para ste tramo Tramo JG Caudal 92 gpm Longitud 9 84 Este tramo tiene caracter sticas similares al tramo DE por lo que le seleccionamos un di metro de 3 pulgadas 102 Tramo GKH Caudal 138 gpm Longitud 61 pies Este tramo es de caracter sticas similares al tramo ABCD entonces usaremos un di metro de tuber a de 3 Y pulgadas Los tramos de derivaci n para las 6 manejadoras todos manejan caudales de 23 gpm el di metro de la tuber a de suministro y retorno de agua son iguales todos se calcular n juntos Di metro pulgadas P rdida pies 100 Velocidad pies seg 2 1 2 34 1 4 4 17 1 Y 8 6 013 Seleccionamos di metro de tuber a de 2 pulgadas y corresponde para todo los circuitos derivados DD 1 D2 DD3Dal EE1E2J EE3E4J FF1F2G FF3F4G Paso 3 Calcular la p rdida por fricci n de todo el circuito lo que nos dar la carga total que debe vencer la bomba La p rdida total por fricci n la calculamos sumando las p rdidas de fricci n por cada uno de los tramos que identificamos anteriormente y recordando que la p rdida que encontramos es por cada 100 pies de tu
57. iller en un sistema de enfriamiento indirecto EQUIPO CHILLER SISTEMA DE REFRIGERACI N COMPLETO INCORPORADO Si ES eS g p N A EVAPORADOR ACORAZADO DE EXPANSI N SECA DEL CHILLER T A y e lt A MANEJADORA DE AIRE FRIO v N SERPENT N DE AGUA FRIA Nx P INCORPORADO T 5 IS bl m FLUJO DE AIRE TO Ts FRIO it N AE SS E E HH gt BOMBA DE AGUA FR A TUBERIA DE AGUA FR A En la figura 15 vemos un circuito de tuber as de agua fr a el chiller donde se enfr a el agua espec ficamente en el evaporador acorazado la bomba de agua y una manejadora como lo vemos en la gr fica la manejadora tiene un serpent n que en este caso es de agua fr a y no gas refrigerante como en el sistema directo figura 14 2 2 Diferencias entre un sistema de enfriamiento directo y uno indirecto 2 2 1 Sistema directo 1 El refrigerante circula hasta las manejadoras y el l quido se expande en el evaporador de stas 2 El compresor debe cargar con las cargas t rmicas y las ca das de presi n del refrigerante dentro de las tuber as 47 3 Dado que las tuber as de refrigerante pueden estar dispuestas en cualquier lugar aumenta la probabilidad de tener alguna fuga por alg n accidente fuga que costar encontrarla y cuando se repare puede haberse perdido gran cantidad de refrigerante 4 Entre m s alejadas est n las manejadoras de la unidad condensadora se necesitara m s refrige
58. iprocante por ejemplo un compresor de 8 cilindros los cilindros se descargan en parejas cada pareja representa un 25 de la capacidad del compresor siempre tomemos en cuenta que el compresor no puede descargarse hasta un 0 ya que en tal caso el motor propulsor estar a trabajando sin producir ning n trabajo de compresi n y en tal caso ser a lo mismo parar el compresor Los compresores descargan generalmente entre 25 y 50 Hay compresores de 6 cilindros que descargan en 33 66 hasta el 100 secuencialmente Hay dos razones para utilizar descargadores en los compresores 1 es evitar el arranque del compresor a plena carga ya que eso nos implica un elevado consumo de corriente el ctrica en el arranque el cual se puede evitar arrancando el compresor a un 25 de su capacidad e ir aumentando la carga progresivamente 2 los descargadores nos ayudan a suministrar la potencia del chiller seg n las condiciones de carga que se le est n requiriendo a cada momento recordemos que el chiller puede estar sometido a cargas variables El monitoreo del chiller entonces lo conseguimos con ayuda de los descargadores y el tener dividida la potencia total del chiller en varios compresores y no con uno solo 2 7 Secuencia general de operaci n autom tica del chiller El arranque de un chiller de varios compresores es secuencial el orden de arranque de cada compresor y la forma de ir aumentando la potencia de cada compresor es controlado p
59. l compresor puede construirse de una o dos partes de hiero fundido acero fundido o en algunos casos aluminio La disposici n de los cilindros puede ser horizontal radial o vertical y ellos pueden estar en l nea recta o arreglados en V o W 1 3 3 2 Compresor abierto Un compresor abierto requiere una propulsi n externa con transmisi n de acoplamiento directo o por faja para que funcione a una determinada velocidad que depende de los requisitos de carga El tipo de propulsi n se debe elegir de modo que trasmita al compresor la potencia adecuada Con este compresor se puede utilizar cualquier tipo de motor el ctrico motor de combusti n interna o turbina de vapor Como acabamos de mencionar los compresores alternativos de tipo abierto necesitan motores propulsores externamente los cuales pueden conectarse directamente a trav s de alg n tipo de acople Esto causa que el compresor opere a la misma velocidad del motor propulsor O un compresor puede tener una polea sobre el extremo del eje del cigue al el cual gira por medio de una faja montada sobre el eje del motor La velocidad a la cual el compresor girar depende de la relaci n de los di metros de las poleas la velocidad del compresor se calcula as RPM del compresor RPM del motor _ di metro polea del motor di metro polea del compresor 31 La velocidad de un compresor abierto puede variarse de tal manera que un solo compresor puede a menudo ser usado para dos o t
60. l de temperatura del chiller de este modo el flow switch apagar el chiller mediante el m todo de pump down 2 9 6 Control de presi n de aceite Este control es definido como control de seguridad su prop sito es monitorear la presi n neta de aceite dentro del compresor Este control es instalado en todos los compresores equipados con una bomba de aceite este control determina la diferencia entre la presi n de descarga de la bomba y la presi n dentro del compresor esa diferencia es denominada presi n neta de la bomba de aceite S la presi n neta es menor a 9 psig por un periodo de 120 segundos ste desconectar el compresor Se necesita resetear manualmente este control 2 9 7 Control de presi n para ventiladores del condensador Cuando el chiller tiene m s de un ventilador en el condensador generalmente la mitad arrancan junto con el arranque de los compresores la otra mitad de ventiladores arrancar n dependiendo de la presi n dentro del condensador 61 Cuando el chiller utiliza refrigerante 22 es deseable mantener la temperatura del refrigerante en el condensador a 105 F 210 psig Este control de presi n puede graduarse para que conecte cuando la presi n en el condensador sobrepase los 210 psig Este control tambi n nos ayudar a mantener una adecuada presi n en el condensador a manera de lograr la condensaci n del refrigerante ya que dependiendo de la temperatura ambiente esta presi n pued
61. l de capacidad Para suministrar un medio de cambiar la capacidad del compresor bajo condiciones de carga fluctuante los compresores mayores desde unos 20 HP se equipan frecuentemente con descargadores que pueden bajar la capacidad de un compresor cuando los requerimientos de carga son menores y evitar que un compresor este arrancado y parando muy seguido ya que esto puede ocasionar algunos problemas de recalentamiento desgaste prematuro de contactos del arranque y mayor consumo de energ a el ctrica Estos descargadores son de dos tipos generales para los compresores alternativos En el primero las v lvulas de succi n en uno o m s cilindros se mantienen abiertas por medios mec nicos en respuesta del control de presi n del equipo Con estas v lvulas de succi n abiertas el refrigerante es forzado a retornar a la c mara de succi n durante la carrera de compresi n y el cilindro no realiza una acci n de bombeo Un segundo medio de descargar es desviar internamente una porci n del gas de descarga a la c mara de de succi n del compresor Teniendo el cuidado de evitar una temperatura de descarga excesiva cuando esto se hace Una desviaci n de gas caliente de la descarga hacia la entrada del compresor tambi n puede alcanzarse externamente al compresor con una v lvula solenoide controlada por temperatura o presi n dependiendo de la naturaleza de la aplicaci n En las figuras 11 y 12 se ve en perfil un compresor marca Ca
62. la succi n en el punto de contacto con el bulbo 41 1 3 4 4 Otras consideraciones sobre las TEV Flash gas El t rmino flash gas indica la porci n de refrigerante que se evapora instant neamente flashes cuando atraviesa la v lvula de expansi n La vaporizaci n instant nea del refrigerante l quido es lo que provoca la baja temperatura del l quido que entra al evaporador La cantidad de flash gas depende de la temperatura del refrigerante en la l nea de l quido y la presi n dentro del evaporador El flash gas reduce la capacidad de la v lvula Un m todo para reducir el flash gas es disminuyendo la temperatura del refrigerante l quido que viene del condensador y aumentando la del vapor que sale del evaporador y entra al compresor Esto puede lograrse usando un intercambiador de calor entre ambos o simplemente teniendo en contacto f sico ambas tuber as Sobrecalentamiento superheat El t rmino sobrecalentamiento cuando se usa una v lvula de expansi n termost tica se refiere a la diferencia de temperatura entre el vapor en el lado de baja presi n y el fluido dentro del bulbo de la v lvula Un sistema ajustado para operar a un sobrecalentamiento normal de 10 F se muestra a continuaci n figura 13 42 Figura 13 Esquema del sobrecalentamiento superheat con una TEV A DS RS A Ds PO E Inlet A 10 F Valve Evaporator y Superheat E 5 LA 03 EN RA Oukei i e
63. mec nica los evaporadores se fabrican en una gran variedad de tipos formas tama os y dise os se pueden clasificar de diferentes maneras tales como tipo de construcci n m todo de alimentaci n de refrigerante condiciones de operaci n m todo de circulaci n de aire o l quido tipo de control del refrigerante y por sus aplicaciones Hay ciertos criterios para el dise o o selecci n de un determinado tipo de evaporador para alguna aplicaci n espec fica dentro de los que podemos mencionar 1 la raz n de transferencia de calor a trav s de la superficie del evaporador 2 la forma en que atraviesa el agua 3 seguridad 4 porcentaje de p rdida de refrigerante por posibles fugas 5 capacidad para que pueda retornar el aceite arrastrado por el refrigerante hacia el compresor 6 grado en que se ensucia la superficie del evaporador 7 corrosi n 8 caracter sticas de espacio y peso 9 posibilidad de congelamiento del medio que se esta enfriando 10 p rdida de presi n del agua o salmuera al atravesar el evaporador 11 costo 17 1 3 1 1 M todos de alimentaci n de refrigerante Los evaporadores pueden ser clasificados por el m todo de alimentaci n de refrigerante l quido como expansi n seca inundados o l quido sobre alimentado Con el m todo de expansi n seca la cantidad de l quido refrigerante alimentado al evaporador est limitada a la cantidad que pueda ser completamente vaporizado durante
64. mpresor que se utilice opera debido a una diferencia de presi n la cu l permite la recolecci n de calor por medio del refrigerante a una baja temperatura de saturaci n Figura 2 Esquema de componentes mec nicos del ciclo de refrigeraci n CONDENSADOR i VALVULA DE i p EXPANSI N O EVAPORADOR COMPRESOR La presi n de vapor en la succi n debe ser lo necesariamente baja de manera que la correspondiente temperatura de saturaci n sea menor que la temperatura en los alrededores del evaporador y esto entonces nos de la correcta direcci n de flujo de calor en el evaporador La presi n de descarga deber ser lo suficientemente alta de manera que la correspondiente temperatura de saturaci n en el condensador sea mayor que el medio que rodea a ste y tambi n obtengamos la necesaria direcci n de flujo de calor del condensador hacia el ambiente El compresor proveer la necesaria diferencia entre los lados de baja y alta presi n 1 2 2 Ciclo de saturaci n simple En este ciclo es til el siguiente diagrama P h Figura 3 Gr fica P h del ciclo saturado simple Pa pg 4 r X 3 gt Z O 9 y 7 I S 1 e Presi n P P5 P 5 Entalpia h El refrigerante l quido alimenta a la v lvula de expansi n a la temperatura correspondiente a la presi n de saturaci n del condensador y por otro lado el compresor es alimentado con el vapor saturado del evapo
65. nas centr fugas corrientemente arrancan en el rango de 80 a 100 toneladas y se extienden hasta 8000 toneladas o m s Entre los compresores de desplazamiento positivo el compresor alternativo ha ganado la m s amplia aceptaci n y aplicaci n en el rango desde fracciones de caballo hasta 100 a 150 toneladas En este punto viene a ser el cruce con los compresores centrifugo El compresor tipo scroll caracol o espiral es com nmente utilizado en aires acondicionados tipo residencial Tiene la ventaja de tener pocas partes m viles lo que genera poca fricci n y por consiguiente menos generaci n de calor produce bajos niveles de ruido y vibraci n El compresor helicoidal tornillo es tambi n un dise o de desplazamiento positivo y trabaja satisfactoriamente sobre un amplio rango de temperaturas de condensaci n Los tama os corrientes de m quinas a tornillo en operaci n van de 100 hasta 700 toneladas basados en las condiciones nominales ARI para sistemas de agua fr a 1 3 3 1 Compresores alternativos Este tipo de compresor puede clasificarse por su construcci n de acuerdo a si es abierto o accesible para trabajos en el campo o completamente sellado de tal manera que no sea posible darle servicio en el campo 30 Los compresores alternativos var an de tama o desde los que tienen un solo cilindro y su correspondiente pist n hasta uno lo suficientemente grande para tener 16 cilindros y pistones El cuerpo de
66. no utilizan compresor 2 4 Chiller por compresi n de vapor Estos chillers est n equipados con los cuatro componentes del ciclo de refrigeraci n de los que hablamos en el primer capitulo A compresor B evaporador C condensador D control de flujo de refrigerante l quido El rol del compresor en estos sistemas es el de una bomba de vapor Esto disminuye la presi n en el evaporador y la temperatura de ebullici n del refrigerante usualmente de unos 38 F 66 psig El compresor incrementar la presi n en el condensador con el fin de condensar el vapor y empezar el ciclo nuevamente La temperatura de condensaci n ser aproximadamente de unos 105 F 216 psig las anteriores temperaturas mencionadas pueden servir de gu as para saber si el chiller esta operando dentro de par metros normales datos para chillers en sistemas de aire acondicionado usando refrigerante 22 49 La norma ARI 590 determina que el agua que esta saliendo del evaporador del chiller debe estar alrededor de 44 F teniendo a 105 F la temperatura de condensaci n teniendo tambi n a 95 F la temperatura del agua saliendo del condensador condensador enfriado con agua Los chillers con compresor tipo scroll son comunes en capacidades entre 10 y 15 toneladas Los chillers con compresor de tornillo son utilizados en aplicaciones de gran capacidad m s de 100 toneladas los chillers con compresor centr fugo se utilizan en capacidades muy grandes
67. ntamiento relaci n de compresi n temperatura de descarga velocidad del compresor potencia absorbida y refrigeraci n del motor 38 9 Disipaci n de calor Para elegir un condensador adaptado al compresor debe ser conocida la transferencia de calor sensible del compresor sta se da usualmente en las caracter sticas del fabricante La disipaci n del calor depende de la potencia til del compresor en las condiciones de funcionamiento menos el calor transferido al aire a la camisa de agua o al enfriador de aceite durante la compresi n del vapor refrigerante 1 3 4 Controles de flujo de refrigerante El siguiente componente fundamental en el ciclo de refrigeraci n es el control de flujo de refrigerante Hay seis tipos b sicos de v lvulas o controles para control del flujo de refrigerante La v lvula de expansi n manual La v lvula de expansi n autom tica La v lvula de expansi n termost tica El tubo capilar La v lvula de flotador de presi n baja La v lvula de flotador de presi n alta Independientemente del tipo la funci n de cualquier control de flujo de refrigerante es doble 1 Medir el refrigerante l quido en la tuber a del l quido que va hacia el evaporador con una rapidez que sea proporcional a la cual est ocurriendo la vaporizaci n en esta ltima unidad 39 2 Mantener un diferencial de presi n entre los lados de alta y baja presi n del sistema a fin de permitir vaporiz
68. nte la realizaci n de este trabajo de graduaci n debido a que en nuestro medio es frecuente encontrar instalados sistemas centrales de aire acondicionado no se tiene informaci n espec fica sobre la forma de funcionamiento de estos sistemas como interact an los diferentes componentes mec nicos y los criterios necesarios para la selecci n en un determinado proyecto modificaci n o ampliaci n de uno ya instalado Con la realizaci n de este trabajo de graduaci n se desea aportar conocimientos y experiencia til a los ingenieros de mantenimiento que tendr n dentro de los equipos y sistemas bajo su responsabilidad un sistema de aire acondicionado central en un hospital hotel edificio de oficinas etc Es necesario conocer la forma en que se dise la red hidr ulica entre el equipo chiller las bombas de agua y las manejadoras del sistema reconocer un sistema de retorno directo y uno inverso y las ventajas de uno sobre otro Tener claros los par metros que intervinieron en la selecci n de las bombas de agua y poderlos calcular y determinar en un momento dado si fuera conveniente reemplazarla por otra de mayor capacidad Tambi n es necesario conocer la forma de trabajo del chiller que es un sistema de refrigeraci n integrado conocer los par metros de las presiones de trabajo de los compresores para tener un sistema operando con buena eficiencia XXV Conocer algunos par metros para seleccionar una manejadora d
69. ntercepta con el punto A con los datos anteriores podemos calcular un flujo m sico M 8 98 2 003 4 48 Lb min En la figura 4 vemos el punto A sobre la curva de temperatura saturada en la descarga 105 F podemos leer de la escala en la izquierda su correspondiente valor de HP te rico por CFM We W 0 187 HP CFM de vapor Para obtener HP por tonelada de refrigeraci n multiplicamos por Ve We 0 187 HP CFM 8 98 CFM ton 1 68 HP tonelada de refrigeraci n 1 2 3 Efecto de la presi n de succi n Una reducci n m s de lo necesario en la presi n de succi n resulta en una dr stica reducci n del efecto de refrigeraci n y un incremento en los HP te ricos por tonelada de refrigeraci n Para ejemplificar ste concepto sigamos con el ejemplo anterior pero ahora con una temperatura de saturaci n de succi n de 20 F Encontremos a la capacidad de refrigeraci n 12 b hp te ricos c los hp por ton de refrigeraci n a Vemos el punto B en la figura 4 vc 11 4 CFM por ton de refrigeraci n el compresor que tenemos maneja 8 98 cfm entonces 8 98 11 4 0 788 ton de refrigeraci n b We lo leemos directamente de la gr fica en el punto B 0 169 HP CFM Los HP te ricos los calculamos as HP 8 98 CFM 0 169 HP CFM 1 52 HP c Ahora los HP te ricos por tonelada de refrigeraci n 1 52 0 788 1 928 HP ton de refrigeraci n Entonces de los c lculos ante
70. o de condiciones de operaci n 5 un apropiado nivel de vibraci n y sonido Dos medidas tiles del comportamiento del compresor son la capacidad la cual esta relacionada con el desplazamiento del compresor y el factor del comportamiento La capacidad del sistema es el efecto refrigerante que puede alcanzar el compresor Es igual a la diferencia de entalp as entre el l quido refrigerante a una temperatura que corresponde a la presi n del vapor que sale del compresor El factor de comportamiento para un compresor herm tico implica la eficiencia de operaci n combinada del motor y el compresor F C capacidad en BTU h Consumo de potencia en watts En la siguiente gr fica observamos curvas de capacidad t picas y continuas de potencia para un compresor herm tico alternativo que trabaja con refrigerante 22 10 F de subenfriamiento del l quido 20 F de recalentamiento de del vapor al salir del evaporador y 1750 RPM de velocidad del compresor 33 Figura 10 Curva de capacidad t pica y potencia para un compresor herm tico alternativo 180 REFRIGERANTE 22 10 DE SUBENFRIAMIENTO DEL LIGUIDO 20 DE SUPERCALENTAMIENTO CEL VAPOR POT VELOCIDAD OEL COMPRESOR 1720 RPM ro o o CAPACIDAD 90 IVA SAT LPR A A IZI CAPACIDAD 10590 BTU CONSUMO DE POTENCIA KW 5 O 5 iQ 15 20 25 30 35 40 45 50 5 TEMPERATURA DE EVAPORACION F Fuente Refrigeraci n y aire acondicionado ARI 34 1 3 3 5 Contro
71. or un control de capacidad 92 Un ejemplo de arranque secuencial es el que se muestra a continuaci n un chiller Carrier de 80 toneladas con cuatro compresores dos de 6 cilindros y dos de 4 Figura 16 Tabla Il Operaci n de cilindros del chiller de la figura 16 Yo OPERACION DE CILINDROS CONTROL DE Capacidad Total de N mero de compresor PASOS Cilindros rani Par 2 BARA J E III UE KA ICI EC A IE AAA PA AA TILA AAA AAA ER E MA EE AE MLA LA WILDE Fuente Manual de instalaci n del chiller marca Carrier modelo 30GA085 105 Paro Cuando se para un compresor de refrigeraci n en cualquier aplicaci n debemos tener cuidado con el retorno de refrigerante l quido al carter del compresor lo anterior debido a que el refrigerante l quido se mezcla muy f cilmente con el aceite y corremos el riesgo de bajar mucho el nivel de aceite dentro del compresor en el siguiente arranque 93 Hay algunas formas de minimizar el anterior problema en los tiempos de paro del compresor algunos m todos son usar trampas de aceite en la tuber a de retorno o acumular el refrigerante del sistema en el condensador y dep sito de refrigerante l quido lado de alta presi n antes de que el compresor pare a este m todo se le conoce como pump down El pump down se realiza colocando una v lvula solenoide en la l nea de l quido del circuito de refrigeraci n la bobina de esta v lvula se conecta en serie con el term stato del
72. os fan coils puede utilizarse tubo flexible de cobre 4 2 Dise o del circuito de tuber as Los sistemas de tuber as de agua fr a que se utilizan en los sistemas de aire acondicionado tipo central con equipo chiller se denominan sistemas tipo cerrado ya que el agua circula sin estar en contacto en ning n punto con la atm sfera En los sistemas de tuber a de agua fr a siempre hay un dep sito o tanque de expansi n lo describiremos con m s detalle despu s Si el tanque de expansi n es abierto todo el sistema de tuber a se sigue considerando tipo cerrado ya que la exposici n con la atm sfera es m nimo En general hay dos tipos de dise o de circuitos hidr ulicos ambos utilizan dos tubos principales o cabezales de agua el de suministro y el de retorno y de sos cabezales se sacan ramificaciones hacia cada una de las manejadoras que forman parte del sistema de aire acondicionado la diferencia entre ambos radica en la disposici n del retorno de agua por lo que se les denomina retorno directo y retorno inverso En algunas partes del dise o se podr a hacer una mezcla de ambos sistemas dependiendo de las necesidades 4 2 1 Sistema con retorno directo El sistema esta conformado por dos tubos principales de suministro y retorno de agua el retorno se dise a para que cada manejadora retorne el agua que sale de ellas por el camino m s corto Un ejemplo podemos verlo a continuaci n 88 Figura 27 Diag
73. p a BTU Lb Temp F Ca erp En e a A 36 97 86 29 MESS 17 27 42 53 51 38 51 86 06 17 71 63 92 81 63 Fuente Trane air conditioning manual Supongamos que el l quido llega a la v lvula de expansi n a 80 F Cuando el refrigerante pasa por la v lvula de expansi n ste debe de bajar de 80 a 40 F y hasta aqu termina el proceso de calor sensible ya que una peque a parte de l quido se evaporar El calor sensible que perdi el l quido cuando bajo de 80 a 40 F se convirti en calor latente y una peque a parte del l quido en flash gas Evaporaci n instant nea Aproximadamente 14 del l quido se convierte en vapor flash mientras fluye por la v lvula de expansi n por lo tanto por cada libra de refrigerante fluyendo por la v lvula de expansi n solamente 0 86 libras del l quido es capaz de absorber calor en el evaporador Por esta raz n el efecto de refrigeraci n de un refrigerante es siempre menor que el calor latente de ste Entonces decimos que el efecto de refrigeraci n ser aproximadamente 86 del calor latente por libra del refrigerante 1 1 3 Peso de refrigerante que debe estar circulando La cantidad de calor absorbido por el refrigerante dentro del evaporador puede expresarse con la siguiente ecuaci n q M ER donde m flujo de masa en Lb min ER efecto de refrigeraci n en BTU Lb de refrigerante q calor absorbido en el evaporador en BTU min La anterior ecuaci n es til pa
74. parado de la unidad compresora debido a su tama o pero generalmente no debe quedar muy retirado del compresor ya que esto ocasiona ca das de presi n y un aumento de los HP requeridos por el equipo Estos condensadores est n disponibles en gran variedad de dise os y capacidades que pueden variar desde 1 a 100 toneladas o m s 2 1 3 2 5 3 Velocidad y cantidad de aire Existe una relaci n definida entre el tama o del condensador y la cantidad de aire que debe de circular por l Una buena norma es la velocidad del aire debe ser la m nima que produzca flujo turbulento y un alto coeficiente de transferencia Al aumentar la velocidad del aire a un valor m s alto causar una ca da de presi n a trav s del condensador incrementando los requerimientos de potencia del ventilador Velocidad del aire pies min cantidad de aire pies min rea del frente pies 1 3 3 Compresores Despu s de que el refrigerante ha perdido calor y se vaporiza en el evaporador el refrigerante pasa a trav s de la l nea de succi n al siguiente componente mayor en el circuito de refrigeraci n el compresor Esta unidad tiene dos funciones principales dentro del ciclo se clasifica frecuentemente como el coraz n del sistema porque circula el refrigerante a trav s del circuito Las funciones que realiza son a Recibir o remover el vapor refrigerante desde el evaporador de tal manera que la presi n y la temperatura deseada puedan
75. por ejemplo 2000 toneladas 2 5 Chillers con compresores reciprocantes Se utilizan compresores reciprocantes en un rango de 10 a 120 toneladas aproximadamente Aunque es bastante frecuente que los fabricantes no utilizan un solo compresor en el chiller ya que estos equipos son susceptibles a variaciones grandes en cuanto a su demanda en determinados momentos La capacidad del chiller se determina conforme a la carga t rmica m xima calculada pero ya en operaci n solo en determinados momentos se requerir del chillertoda su potencia Por lo anterior el chiller puede estar compuesto por varios compresores peque os conectados en paralelo y juntos dar n la potencia m xima del equipo 90 Figura 16 Chillers reciprocantes con condensadores enfriados por aire En la figura 16 vemos dos equipos chiller marca Carrier de 80 toneladas cada uno usan condensadores enfriados por aire instalados horizontalmente en la parte superior del chiller usan 4 compresores reciprocantes de 20 hp c chiller dispuestos en la parte inferior 2 6 Secuencia de operaci n de los descargadores de cilindros En el cap tulo 1 p ginas 35 36 y 37 se trat el tema de descargadores de cilindros de compresores reciprocantes como funcionamiento de los tipos y mecanismos ahora discutiremos sobre la secuencia de operaci n en los compresores 91 El mecanismo de descargar los cilindros del compresor permite reducir la capacidad del compresor rec
76. r fricci n en todo el circuito 91 4 5 P rdidas de presi n por fricci n H Hr f L D V2 29 hf p rdida por fricci n en la tuber a puede calcularse por los m todos en que se utiliza diagrama de Moody Re etc Pero para este caso ya existen gr ficas como la que se muestra en la figura 30 que relaciona el caudal la p rdida de presi n por cada 100 pies de tuber a di metro de tuber a Y los valores pueden ser calculados m s r pidamente Podemos utilizar los siguientes pasos para encontrar Hrt 1 Hacer un dibujo del tendido de tuber a con longitudes accesorios codos v lvulas Tee serpentines etc 2 Debemos tomar en cuenta que la ca da de presi n entre dos puntos de un circuito y que del punto uno al dos podemos llegar por varias v as la ca da de presi n ser la misma aunque podamos calcularla por cualquier v a Figura 29 Ejemplo del trazo de conexiones hidr ulicas para determinar el camino m s largo para calcular la ca da de presi n F NN E bs A B C NS o Y BOMBA DE AGUA y y SERPENTIN 1 SERPENTIN 2 v y a E D 92 En teor a la ca da de presi n entre el punto A y el punto F es la misma ya sea que la calculemos sumando todas las perdidas por la trayectoria ABEF o por la trayectoria ABCDEF Sin embargo se recomienda calcular la ca da de presi n siempre por el camino m s largo 3 La informaci n sobre la ca da de presi n en aparatos como los se
77. r sumergido inundado deben controlar el nivel de refrigerante l quido dentro del evaporador puede utilizarse una v lvula de flote en la succi n una v lvula de flote en el lado de alta presi n del sistema una v lvula de expansi n de presi n constante una combinaci n de un switch de flote con un v lvula solenoide o alg n medio que restrinja el paso de refrigerante l quido 1 3 1 4 Evaporador tipo spray Un tipo spray es similar al inundado de tubo y carcasa excepto que el refrigerante l quido esta circulando continuamente por las boquillas de unos spray localizadas en los tubos superiores Ninguno de los tubos esta sumergido dentro del l quido La cantidad de refrigerante circulando es usualmente tres o cuatro veces la cantidad que se evapora de acuerdo con la totalidad del rea de la superficie h meda El evaporador tipo spray es especialmente utilizado para temperaturas muy bajas 20 Las principales ventajas de este tipo de enfriador son su alta eficiencia y carga de refrigerante relativamente peque a Las desventajas son su alto costo de instalaci n y la necesidad de una bomba para recircular el l quido 1 3 1 5 Enfriador con evaporador tipo expansi n seca El enfriador con expansi n seca el refrigerante se expande dentro de los tubos y se vaporiza completamente antes de regresar al compresor El l quido agua por ejemplo fluye por encima de los tubos que es el lugar donde se da la transferencia de calor
78. ra determinar la cantidad de refrigerante necesario en un sistema cuando la capacidad y condiciones de operaci n son conocidas Para ejemplificar lo anterior supongamos las siguientes condiciones de operaci n Efecto de refrigeraci n 50 BTU Lb Capacidad del evaporador 1000 BTU min Necesitamos calcular la cantidad de refrigerante que debe circular por minuto m q ER 1000 50 20 Lb min Veamos ahora el siguiente ejemplo Tenemos un equipo chiller de agua que usa refrigerante 22 el cu l tiene una capacidad nominal de 60 ton cuando la temperatura del evaporador es de 40 F y la temperatura del condensador es de 100 F Asumamos las siguientes condiciones para simplificar 1 No existe ca da de presi n en el condensador ni en el evaporador 2 No tenemos perdidas debido al proceso de compresi n 3 Es vapor saturado el que sale del evaporador y entra al compresor 4 Es l quido saturado el que sale del condensador Con estos datos de un ciclo calculemos lo siguiente a el flujo de refrigerante b el cambio de entalp a en el proceso de compresi n c el calor que debe disiparse en el condensador Para lo anterior podemos ayudarnos con el siguiente diagrama P h Figura 1 Gr fica Ph para un circuito de refrigeraci n A 100 F D w 210 lt i 2 eg o O N y W 84 B 40 F am z C A 118 h 39 108 ENTALPIA BTU LB a El efecto de refrigeraci n deb
79. raci n M xico CECSA 1997 594 pp Pita Edwars Acondicionamiento del aire principios y sistemas 2da ed M xico CECSA The Trane Company Trane air conditioning manual USA Megrill Jensen inc 1967 455pp 121 122
80. raci n de la v lvula de expansi n Para condensadores enfriados por agua deber de tenerse velocidades del agua entre 8 y 10 pies segundo 2 4 a 3 mts seg Con chillers que utilizan condensadores enfriados por aire debemos considerar las temperaturas ambientales del lugar La diferencia de temperatura entre el aire que entra al condensador y la temperatura de condensaci n son criticas el condensador debe de disipar el calor a una raz n suficiente para mantener balanceado el sistema de refrigeraci n seg n su dise o 67 3 MANEJADORAS DE AIRE Las manejadoras de aire son equipos compuestos por un serpent n de enfriamiento que puede ser de agua fr a o de gas refrigerante si fuera de gas refrigerante el serpent n ser a un evaporador tipo expansi n seca donde el refrigerante l quido se expande tambi n tendr a una v lvula de expansi n Pero si el serpent n fuera de agua fr a ste solo tendr a por lo general una v lvula de tres v as para regular y mantener constante el flujo de agua Las manejadoras tambi n tienen incorporado un ventilador centr fugo que se encarga de hacer circular el aire por el serpent n de enfriamiento e impulsarlo hasta el espacio acondicionado en las manejadoras tambi n se encuentran los filtros de aire En los sistemas de aire acondicionado central se encuentran manejadoras centrales que distribuyen el aire hacia varios ambientes distintos lo anterior con un solo ducto principal
81. rador En la v lvula de expansi n el refrigerante se expande irreversiblemente sin producir ning n tipo de trabajo hs ha Con las siguientes ecuaciones podemos calcular el flujo de refrigerante trabajo de compresi n calor que sale del condensador COP expresado HP por tonelada de refrigeraci n Raz n de flujo de refrigerante m 200BTU min h1 h4 Cantidad de vapor refrigerante en la toma del compresor Vc 200 va h ha Trabajo isentr pico de compresi n We 200 42 42 h2 h 1 h1 h4 D nde 1 42 42 factor para convertir de BTU min a HP w raz n de flujo de refrigerante Ib min ton de refrigeraci n h entalp a BTU Ib Vc cantidad de vapor refrigerante en la toma del compresor CFM ton de refrigeraci n v volumen espec fico del vapor en el punto 1 pies c bicos lb We trabajo te rico isentr pico de compresi n HP ton de refrigeraci n Asumamos un sistema que trabaja con refrigerante 12 con capacidad de 1 ton de refrigeraci n las temperaturas de succi n y descarga son 10 F y 105 F respectivamente Con la gr fica de rendimiento del ciclo saturado simple para el refrigerante 12 Figura 4 a En la figura 4 vemos el punto A sobre la curva de saturaci n a 10 F y leemos vc 8 98 cfm por ton de refrigeraci n el volumen espec fico de vapor saturado v 2 003 pies lb Este dato corresponde a la l nea de 10 F 19 2 psia que i
82. ralelo en un mismo circuito en tal caso el fabricante instala un control por cada par de compresores instalados de esta manera 2 9 4 Termostato de seguridad Este termostato es un dispositivo de seguridad el bulbo esta colocado en la parte superior del enfriador de carcasa y evita que el agua alcance temperaturas de congelamiento Si el agua llega a congelarse dentro del enfriador puede causar grandes da os al equipo el agua congelada se expande y puede romper los tubos del enfriador y luego el agua inundar todo el sistema de refrigeraci n evaporador compresor condensador La temperatura de este termostato puede ser graduada manualmente algunos fabricantes aconsejan graduarlo para que dispare a 36 F 2 9 5 Interruptor de flujo de agua flow switch El prop sito de este interruptor es el mismo que el termostato de seguridad evitar el congelamiento del agua dentro del enfriador Recordemos que el agua congelada aumenta de volumen y puede romper los tubos del evaporador acorazado Vac Val 9 Vac volumen de agua congelada Val volumen de agua l quida 60 El elemento de este control es una l mina que esta colocada dentro de la tuber a de salida del enfriador y el flujo de agua la pandea activando un microswitch cuando el flujo de agua disminuye por cualquier raz n y desciende del l mite de calibraci n el flow switch apagar el chiller Algunos fabricantes cablean el flow switch en serie con el contro
83. rama de conexiones hidr ulicas con sistema de retorno directo lt I Dos RETORNO A p gt SUMINISTRO Se puede notar que el circuito de la manejadora A es peque o la tuber a de suministro y retorno son mucho m s corto que los de la manejadora B 4 2 2 Sistema con retorno inverso En este sistema se busca que las tuber as de suministro y retorno a cada manejadora sean aproximadamente iguales por lo que este sistema puede tener mayor cantidad de tuber a instalada y su costo es m s elevado un ejemplo de esta disposici n podemos verlo en la siguiente figura 89 Figura 28 Diagrama de conexiones hidr ulicas con sistema de retorno Inverso d p al B v J a O Z 14 O A e k gt gt LU E 14 o A SUMINISTRO gt En la figura 28 vemos un esquema con retorno inverso en este tipo de distribuci n de tuber as se busca que las distancias de tuber as de suministro y retorno a cada manejadora desde el chiller sean algo parecidas El sistema de retorno directo no es muy aconsejable usarlo ya que nos provoca desbalances en el caudal de agua el agua tender a a fluir m s por los circuitos m s cortos y podr amos tener poco caudal en los circuitos m s largos Por lo general es m s ventajoso usar el retorno inverso aunque su costo de instalaci n sea mayor nos permite tener un mejor balance de caudal a cada una de las manejadoras El sistema de r
84. rante 5 El refrigerante arrastra aceite en todo su recorrido debemos asegurar que se aceite retorne hasta el compresor 2 2 2 Sistema indirecto 1 Todo el sistema de refrigeraci n esta centralizado en el chiller 2 En este sistema utilizamos el agua como agente de transferencia de calor que viaja hasta las manejadoras Usamos una bomba de agua para desplazar el agua hasta las manejadoras 3 Es m s f cil controlar el retorno de aceite al compresor El uso del sistema directo o indirecto depender del tama o de la instalaci n ya que para peque os sistemas de aire acondicionado central hasta unas 20 toneladas ser pr ctico utilizar un sistema de enfriamiento directo el uso de chiller puede arrancar con instalaciones con capacidades de 20 toneladas aproximadamente 2 3 Tipos de chiller para aire acondicionado Por el tipo de funcionamiento hay b sicamente dos tipos de chillers el tipo absorci n y el tipo compresi n de vapor que utiliza un compresor para producir una diferencia de presi n entre el lado de alta y baja presi n Los chillers por compresi n se clasifican por el tipo de compresor que utilizan dentro de esta clasificaci n tenemos 48 A B Chillertipo scroll Chiller tipo centr fugo C Chillertipo tornillo D Chillertipo reciprocante El chiller por absorci n trabaja conforme al ciclo de refrigeraci n por absorci n y por la naturaleza de este ciclo estos sistemas de refrigeraci n
85. res diferentes potencias Cambiando nicamente el tama o de la polea de la polea del motor en la mayor a de los casos este mismo compresor puede usarse no solamente con diferentes tama os de motores sino tambi n para aplicaciones de alta media o baja temperatura 1 3 3 3 Compresor herm tico El prop sito del compresor herm tico es el mismo que el abierto bombear y comprimir el vapor difiere en construcci n en que el motor est sellado en la misma carcasa del compresor Un compresor herm tico no puede ser reparado en el campo las reparaciones internas se realizar n en un taller previo haber desmontado el compresor de su lugar Otro tipo de compresor herm tico es el denominado herm tico atornillado o algunas veces tambi n llamado semi herm tico el cual puede ser reparado en su lugar de trabajo ya que puede desarmarse completamente una caracter stica favorable en m quinas de mayor tonelaje en donde desmontar todo del compresor para una reparaci n puede tener un costo muy alto e invertir m s tiempo en dicha actividad 1 3 3 4 Comportamiento del compresor reciprocante El comportamiento del compresor es el resultado de compromisos de dise o que envuelven ciertas limitaciones f sicas del refrigerante el compresor y el motor mientras tratan de suministrar 1 mayor vida esperada libre de problemas 32 2 mayor efecto refrigerante con un m nimo consumo de potencia 3 un costo m s bajo 4 un amplio rang
86. resi n En la pr ctica una parte del refrigerante l quido empieza a evaporarse en la v lvula de expansi n absorbiendo calor de l mismo Este fen meno se debe al proceso de expansi n que experimenta el refrigerante ya que se encontraba a una alta presi n en el condensador y en la v lvula de expansi n llega a la presi n del evaporador bastante m s baja El fen meno que se describi arriba se le conoce como flash gas cuanto m s refrigerante se evapore en la v lvula de expansi n la eficiencia el ciclo disminuir una forma para reducir este problema es tratando de bajar la temperatura del refrigerante en la l nea de l quido antes de llegar a la v lvula de expansi n sin suministrar energ a extra para esto Una forma de realizar lo anterior es utilizando un intercambiador de calor entre la l nea de refrigerante l quido y la tuber a de succi n del compresor con esto se puede bajar un poco la temperatura del refrigerante l quido y subir la del vapor en la succi n ayudando a evitar la entrada de refrigerante l quido al compresor 115 En cuanto a las presiones de trabajo de un sistema de refrigeraci n para que opere m s eficientemente la presi n en el condensador deber a ser lo m s bajo posible y la presi n en el evaporador lo m s alto posible Un sistema de aire acondicionado central es m s eficaz cuando se utiliza un m todo de enfriamiento indirecto con agua fr a hasta los serpentines de las maneja
87. resi n est tica y conocer la cantidad necesaria de aire CFM Algunas relaciones tiles s conocemos las presiones en pulgadas de columna de agua Po Pr Pe V 4005 Pp en pies minuto CFM VA A rea en pies cuadrados en la salida del ventilador V velocidad del aire dentro del ducto 3 2 4 Potencia del ventilador Los HP te ricos requeridos para impulsar en ventilador es la potencia que se requerir a si no existieran perdidas en l La potencia te rica para un ventilador puede calcularse como sigue 84 HP CFM Pr 6356 CFM pies minuto de aire Pr presi n total en pulgadas de columna de agua La potencia al freno es la potencia real por el ventilador La potencia al freno ser mayor que la te rica ya que tomamos en cuanta la eficiencia del ventilador la eficiencia del ventilador es un dato que debe proporcionar el fabricante 3 2 5 Eficiencia del ventilador Cuando ya determinamos la potencia al freno del ventilador la eficiencia total y la eficiencia est tica pueden ser calculadas La eficiencia total o eficiencia mec nica es calculada usando la presi n total en la siguiente formula Eficiencia total del ventilador CFM Py 6356 potencia al freno La eficiencia total es la potencia til dividido la potencia suministrada Eficiencia est tica CFM Pe 6356 potencia al freno La eficiencia est tica es la potencia est tica dividido la potencia
88. rga total que tendr que vencer veremos un ejemplo Tenemos un peque o edificio de tres niveles figuras 31 32 33 34 y 35 con diversas reas que debemos climatizar utilizando un sistema central de aire acondicionado En el Edifico se colocar n 6 manejadoras marca Dunham Bush modelo VCB 125 C las caracter sticas de stas manejadoras podemos verlas en la tabla IV 97 Se colocan 2 manejadoras en cada nivel y seg n el nivel en que se encuentran se denominan manejadoras 1A y 1 B para las del primer nivel 2A y 2B para las de segundo nivel 3A y 3B para las del tercer nivel ver figuras 31 a 35 Sobre la terraza del edificio figura 31 est ubicado el chiller y la bomba de agua En este ejemplo usaremos el sistema de conexi n hidr ulica con retorno inverso y mediremos las distancias de tuber a desde la salida de la bomba hasta la succi n de sta para cada circuito de cada manejadora en los figuras 31 a 35 est n dibujadas las manejadoras en cada nivel el chiller la bomba y las tuber as de suministro y retorno de agua todo esta dibujado a escala 1 125 En las figuras mencionados arriba se dibujo la tuber a en menci n y para dividirla por tramos se les coloc letras en diferentes puntos Paso 1 Medir los circuitos de cada manejadora desde la bomba y compararlos para ver cual circuito es m s largo Las dimensiones de los circuitos de todas las manejadoras van desde la salida de la bomba hasta la succi n de
89. rigerante que es necesaria para disipar calor al medio de condensaci n 37 4 Refrigerantes los refrigerantes que principalmente se emplean con compresores alternativos son R 22 R 134A R 401 R 401B amon aco hasta un tiempo atr s tambi n los refrigerantes R 12 y R 502 etc Subenfriamiento del refrigerante el subenfriamiento aumenta el efecto potencial de refrigeraci n reduciendo el porcentaje de l quido evaporado durante la expansi n flash gas Sobrecalentamiento del gas de aspiraci n Esto se puede producir por captaci n de calor en la tuber a fuera del espacio refrigerado en un intercambiador de calor Aunque los ensayos empleando refrigerante 22 en un compresor indican un aumento despreciable de capacidad en virtud del mejor rendimiento volum trico no es recomendable el sobrecalentamiento a causa de la posibilidad de recalentamiento del compresor Por lo anterior siempre hay que revisar las especificaciones del compresor para refrigerante 22 pa Ca das de presi n en las tuber as del refrigerante el funcionamiento del compresor alternativo en un sistema de refrigeraci n es an logo al de una bomba en un sistema de agua Debe ser elegido para superar la resistencia del sistema y producir el flujo necesario de refrigerante L mites de funcionamiento el fabricante especifica generalmente los l mites de funcionamiento Pueden haber limitaciones en la temperatura de succi n sobrecale
90. riores se puede sacar las siguientes conclusiones 1 En el mismo sistema al tener una ca da de 3 92 psi en la presi n de succi n y una ca da de 10 F en la temperatura de succi n obtenemos una reducci n en la capacidad del equipo de 1 tonelada baja a 0 788 en t rminos de porcentaje tenemos una reducci n del 21 2 en capacidad 2 Tambi n observamos un incremento en los hp te ricos por tonelada de refrigeraci n de 1 68 se incrementa a 1 928 o un 12 8 3 En un sistema de refrigeraci n debemos mantener la presi n de succi n que nos proporcione las temperaturas necesarias en el evaporador lo m s alto posible ya que eso nos aumentar la capacidad del equipo con menor consumo de energ a en el compresor 13 1 2 4 Efecto de la presi n de descarga Si en un sistema de refrigeraci n tenemos un incremento en la presi n de descarga obtendremos una reducci n de la capacidad de enfriamiento del equipo un incremento en los HP por tonelada de refrigeraci n Aunque este efecto es menos severo que la ca da de presi n en la succi n del compresor Tambi n ahora analizaremos lo anterior num ricamente Siguiendo con el mismo ejemplo pero la temperatura del refrigerante en la descarga la incrementamos de 105 a 115 F pero mantenemos la misma temperatura del gas saturado en la succi n de 10 F a encontremos la capacidad de refrigeraci n Vc 9 5 CFM por ton de refrigeraci n este dato lo leemos en la figura 4
91. rlyle de 20 HP con descargadores de cilindros 30 Figura 11 Compresor semiherm tico de tres culatas y seis cilindros Figura 12 Bobina del solenoide que acciona el descargador de cilindros Las figuras 11 y 12 son de un compresor semiherm tico de 3 culatas y seis cilindros dos por cada culata cada culata tiene un mecanismo de descargador de cilindros 36 En la figura 12 se ve m s cerca una de las culatas y sobre de ella vemos el solenoide de se descargador de cilindros cuando ste se encuentra energizado el par de cilindros de sa culata no realizan trabajo de bombeo de refrigerante entonces el compresor no esta trabajando al 100 de su capacidad 1 3 3 6 Selecci n de la unidad de compresi n recipro cante La elecci n de una m quina alternativa de refrigeraci n est afectada por los aspectos econ micos del sistema en conjunto se debe procurar un equilibrio entre el costo inicial y el costo de funcionamiento Algunos factores que intervienen en la elecci n del equipo incluyen los siguientes 1 Capacidad la cantidad de calor que debe ser transferido o intercambiado por el sistema en el evaporador lo que depende del flujo de refrigerante y de las entalp as de entrada y salida del evaporador 2 Temperatura del evaporador la temperatura del refrigerante necesaria para absorber calor del medio o agente sometido a enfriamiento 3 Temperatura de condensaci n la temperatura del ref
92. rno de agua dPBilla manejadora 3B suministro de agublhacia manejadora m retorno de agua dPllla manejadora 2B suministro de agua hadia manejadora retorno de agua de lalhanejadora 1B SECCI N TRANSVERSAL escala 1 150 3B 2B 1B primer nivel 107 escala gr fica Figura 32 Plano de la planta de la terraza del edificio para ejemplo hidr ulico Baja tuber a de suministro de agua gt e K Sube tuber a de retorno de agua ascensor B s je II PLANTA DE DISTRIBUCI N cuarto nivel Escala 1 150 mn 5 escala gr fica 108 Figura 33 Plano de la planta del tercer nivel del edificio para ejemplo hidr ulico a O J J N Manejadora 3A TUBERIA DE SUMINISTRO DE AGUA gt A gt U j TUBERIA DE RETORNO AGUA e aaa
93. rodete con aletas curvadas hacia delante Diagrama de conexiones hidr ulicas con sistema de retorno directo Diagrama de conexiones hidr ulicas con sistema de retorno inverso Ejemplo de circuito hidr ulico Gr fica para calcular p rdida de presi n por fricci n en tuber a de acero al carb n c dula 40 Plano de la secci n transversal del edificio para ejemplo hidr ulico Plano de la planta de la terraza del edificio para ejemplo hidr ulico IX 69 12 13 76 81 89 90 92 94 107 108 33 34 35 36 Plano de la planta del tercer nivel del edificio para ejemplo hidr ulico 109 Plano de la planta del segundo nivel del edificio para ejemplo hidr ulico 110 Plano de la planta del primer nivel del edificio para ejemplo hidr ulico 111 Esquema de distribuci n de caudales de agua para cada manejadora 112 TABLAS Tabla resumida de propiedades de refrigerante 12 3 Operaci n de cilindros de un chiller de 80 toneladas marca Carrier 53 Factores de contacto t picos para serpentines de enfriamiento 17 Datos t cnicos de manejadoras marca Dunham Bush 80 Caracter sticas de los ventiladores de algunos modelos de manejadoras marca Dunham Bush 86 VI VII VIII XI XII XIII Longitudes equivalentes por accesorios hidr ulicos Longitud del circuito hidr ulico de manejadora 3A Longitud del circuito hidr ulico de manejadora 3B Longitud del circuito
94. rpentines de enfriamiento se obtienen directamente de los cat logos de los fabricantes Por ejemplo podemos ver la tabla IV en el capitulo 3 la columna hy ca da de presi n 4 La ca da de presi n en tramos de tuber a la podemos calcular con la gr fica de la figura 30 en la siguiente p gina debemos conocer flujo de agua y di metro de tubo 5 la ca da de presi n por accesorios se puede calcular con la tabla VI debemos conocer tipo de accesorio y para que di metro de tuber a 6 la suma de todas las p rdidas por fricci n es la ca da de presi n total del circuito en pies de agua Este valor es la carga total de la bomba 93 Figura 30 P rdida de fricci n en tuber as de acero al carb n c dula 40 sistemas cerrados 5 202513 43 5 5 A 10 1 5 2 2513 4 gt 6 a 10 I5 20 25 30 40 Pi B0 100 TOTAL AAA LL IAN I INIIN LA AA ys 1 i NNT all 10000 RN PIT MET a 0 al EE k X NOE R SANTIN LALKI gt A NA SS ANO LA NAAA a PE pr SM ANA A o N ea PON Da IA CIA Tea A De BEP a SA EN AN E SS SS asin Ni K A N gt KI oee KE ERE qn FLUJO GPM 100 LO l 155 2 25 3 1 5 2 253 4 6 agi 10 15 El 2530 40 80 100 60 E ms FRICCI N PIES DE AGUA POR 100 FT Fuente Acondicionamiento del aire principios y sistemas de Edward G Pita 94 Tabla VI Longitud equivalente en pies de tubo por accesorios Accesorio Tama o nominal de tubo pulgadas 23141 1 1114 11 2
95. rticulares como oficinas un laboratorio una planta telef nica un cuarto de distribuci n el ctrica etc En los sistemas que utilizan un chiller de enfriamiento de agua debemos entender que los fan coils las manejadoras centrales y las de varias salidas de aire todas son alimentadas con el agua fr a que viene del chiller 3 1 Serpentines de enfriamiento En este punto trataremos solo los serpentines que usan agua fr a y que son parte de una manejadora de aire de un sistema de aire acondicionado a base de un equipo chiller 70 Los serpentines son intercambiadores de calor entre dos fluidos distintos que en este caso son agua fr a y aire En este caso decimos que el agua es el fluido en donde no tenemos cambio de estado y tenemos solo transferencia de calor sensible el aire es el fluido en donde tenemos transferencia de calor sensible y latente ya que ser muy probable que en el serpent n se condense alguna parte del vapor de agua que contiene el aire Las velocidades de transferencia de calor tienden a ser mucho mayores en los flujos turbulentos n mero de reynolds mayor a 2300 que en los laminares debido a la mezcla violenta que sufre el fluido Los serpentines de enfriamiento se fabrican generalmente de tubo de cobre y aletas de aluminio para aumentar la transferencia de calor las aletas aumentan la superficie efectiva del tubo Cuando los serpentines constan de varias capas o filas en general se conec
96. s De la misma forma se calcula todo el circuito que formamos tomando en cuenta las longitudes v lvulas codos tees y los serpentines de cada manejadora El resumen del calculo de p rdida por fricci n en todo el circuito hidr ulico se encuentra el la tabla XIII y en ella calculamos una p rdida total por fricci n de 107 7 pies esto representa la altura de la bomba o la carga total de la bomba Paso 4 En este paso calcularemos la potencia de la bomba WHP usando los datos que ya calculamos anteriormente WHP gpm H 3960 El caudal total del circuito es la suma de los caudales requeridos por todos los serpentines de las manejadoras estamos instalando 6 manejadoras Dunham Bush modelo VCB 125 C cada una En la tabla IV vemos que stas manejadoras necesitan un flujo de agua de 23 gpm cada una en las 6 manejadoras tendr amos un caudal total de 23 6 138 gpm Entonces tenemos Q 138 gpm Hr 107 7 pies de agua WHP 138 gpm 107 7 pies de agua 3960 WHP 3 75 105 Los 3 75 WHP representa la potencia de agua o l quido para calcular la potencia al freno de la bomba debemos conocer la eficiencia de la bomba dato que proporciona el fabricante y se calcula as BHP 3 75 N bomba 106 Figura 31 Plano de la secci n transversal del edificio para el ejemplo hidr ulico a 1 312 3 061 3 1 3 23 suministro de agublhacia manejadora reto
97. s lido en lugar de las levas y microswitch los termostatos son electr nicos pir metros y usan termopares o resistores para medir la temperatura del agua etc Pero en general su funci n es la misma que un step controller 98 2 9 Descripci n de otros elementos de control en los equipos chillers 2 9 1 Control de temperatura del agua El prop sito de este control es monitorear la temperatura de retorno del agua que entra al evaporador del chiller De estos controles encontramos electromec nicos que utilizan un bulbo con gas frecuentemente mercurio como se mencion arriba es frecuente encontrar ahora pir metros con termopares o resistores para medir la temperatura del agua 2 9 2 Control de presi n de alta Este es un control de seguridad que mide la presi n del lado de alta presi n del sistema controla que la presi n no sobrepase los l mites de dise o del equipo y que puedan causar da os como da ar v lvulas de los compresores romper alg n sello etc Hay un control de presi n de alta por cada compresor y en estos aparatos no se puede cambiar los par metros de disparo set point ya que vienen preestablecidos de f brica 99 2 9 3 Control de presi n de baja El control de presi n de baja se conecta directamente a la tuber a de succi n del sistema hay un control de presi n por cada compresor cuando stos forman circuitos separados en ocasiones los compresores est n dispuestos en pa
98. ta 3 1 1 Algunos factores para seleccionar un serpent n de agua fr a Todos los fabricantes de manejadoras proporcionan tablas con los datos de operaci n de sus equipos y los modelos que nos servir an para determinado proyecto En todo caso es bueno conocer algunos conceptos que nos ayuden calcular el tama o y capacidad de enfriamiento de un serpent n 3 1 2 La carga de calor del serpent n El calor total esta compuesto por la suma de la carga de calor sensible y latente al respecto de esos t rminos podemos decir que nos referimos a un proceso de enfriamiento calor sensible y un proceso de deshumidificaci n calor latente 1 3 El c lculo de esas cargas podemos encontrarlos en forma aproximada con las siguientes ecuaciones Calor sensible Q Para presiones al nivel del mar Q 1 08 CFM t2 t1 Para presiones a 5000 pies sobre el nivel del mar ciudad de Guatemala Q 0 90 CFM to ty Calor latente QL Para presiones al nivel del mar Q 0 68 CFM gr gt gra Para presiones a 5000 pies sobre el nivel del mar ciudad de Guatemala Q 0 56 CFM gr gt gr donde CFM pies c bicos de aire por minuto t2 t4 temperaturas de bulbo seco a la entrada y salida del serpent n en F gr2 gr granos de agua por libra de aire seco en la entrada y salida Cuando utilizamos la carta psicrom trica debemos tener en cuenta para que presi n atmosf rica esta construida 14 La car
99. tan de modo que el flujo de agua y del aire sean opuestos entre s a lo cual se le llama contracorriente o contra flujo de este modo el agua m s fr a enfr a el aire m s fr o que va saliendo del serpent n 11 Figura 23 Diagrama de transferencia de calor en intercambiadores de calor T aire entrada T aire entrada Los Caliente A trad s lt Caliente 4 A F T agua salida e Taire salida P Pa T agua salida Taire salida Pa v E y i Pa P lt Fr a Tagua entrada P Ena Tagua entrada CORRIENTES PARALELAS CONTRAFLUJO Fuente Transferencia de calor de A F Mills Al observar la figura 23 vemos que tenemos mayor transferencia de calor en el intercambiador a contra flujo que en el de corrientes paralelas bajo las mismas condiciones el aire sale m s fr o Cuando debemos seleccionar una manejadora de aire necesitamos conocer algunos datos como las condiciones del aire exterior temperatura de bulbo seco presi n atmosf rica humedad relativa etc Tambi n debemos de conocer las condiciones a las que queremos llegar el aire que suministraremos a determinado ambiente temperatura de bulbo seco temperatura de bulbo h medo humedad relativa y el caudal de aire que se necesita suministrar el caudal se expresa mucho en pies c bicos por minuto CFM 12 Figura 24 Serpent n de agua fr a para una manejadora de uso en aire acondicionado Fuente Acondicionamiento del aire principios y sistemas de Edward G Pi
100. urvas que sirven para calcular esto para un determinado refrigerante para el refrigerante 22 podr a servirnos las siguientes curvas Figura 8 Gr fica de transferencia de calor en el condensador con R 22 LOMDENSING TEMPERATURE Es E Es Sobre el eje horizontal X temperatura en la succi n F Sobre el eje vertical izquierdo calor removido del condensador proveniente del evaporador en BTU min ton de refrigeraci n Fuente ASHRAE fundamentals and equipment 24 La cantidad de agua requerida por cada tonelada de refrigeraci n producida en el evaporador puede calcularse de la siguiente forma V Q 8 33 t t Donde V flujo de agua en galones por minuto por tonelada de refrigeraci n Q calor transferido por el condensador en BTU por minuto por tonelada t temperatura a la que entra el agua al condensador t2 temperatura a la que sale el agua del condensador 1 3 2 3 Condensadores de tubos y carcasa Estos condensadores son similares a los evaporadores de tubos y carcasa dentro de un cilindro de acero esta dispuesta una tuber a por donde circula el refrigerante y por fuera de ellos circula agua de enfriamiento que absorbe el calor del refrigerante Estos condensadores est n disponibles desde 2 toneladas hasta varios cientos o m s toneladas El di metro de los cilindros var a desde aproximadamente 4 a 60 pulg y de 3 a 20 pies de largo El n mero y di metro de los tubos depen

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