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SISTEMAS DE AIREACONDICIONADO
Diseo de ductos
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Ing. Francisco Javier Vadillo
DISEO DE DUCTOS EN SISTEMAS DE AIREACONDICIONADO
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Ing. Francisco Javier Vadillo
Sistemas de ductera
La finalidad de los sistemas de ductera es distribuir el airedentro de los espacios acondicionado.
Por lo general, se utilizan en sistemas centralizados en losque el equipo esta a una distancia considerable de las zonasa enfriar o cuando se acondicionan mltiples zonas con elmismo equipo.
Los tipos ms usados son: Redondos
Rectangulares
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Diseo de Ductos Redondos
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Diseo de Ductos Redondos
La tabla* representa las prdidas por friccin en pulgadasde agua por cada 100 pies de longitud en condicionesestndar de flujo en ductos circulares y limpios conpromedio de 40 juntas en 100 pies.
Las escalas son logartmicas, por lo que hay que observarcon mucho cuidado cuando se toma el dato.
* Fundamentals ASHRAE
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Diseo de Ductos Redondos
Por ejemplo, si se tiene un ducto de 10 pulgadas dedimetro y con un flujo de 500 CFM, encontrar elvelocidad y la cada de presin si el ducto mide 75 pies.
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0.16
Primero interceptar la lneas dedimetro y flujo para calcular lospuntos
La cada de presin en el grficose lee de 0.16 in de agua.
Como el ducto es de 75 pies,entonces la cada ser:0.16*75/100 = 0.12 in agua.
V = 900 pies/min.
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Codo circular de cuatro secciones
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Diseo de Ductos Rectangulares
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Diseo de Ducto Rectngular.
La tabla anterior puede utilizarse para determinar el ductoredondo adecuado a la aplicacin y luego convertir esedimetro en su equivalente rectangular.
Ejemplo: Para el ducto de 10 de dimetro, cuales son susequivalentes en ducto rectngular
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Diseo de Ducto Rectngular.
De la tabla:
ANCHO 9 10 12 15 19 25
ALTO 9 8 7 6 5 4
R.A. 1 1.25 1.71 2.5 3.8 6.25
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Diseo de Ducto Rectngular.
Normalmente existen limitantes de espacio en la seleccindel ducto rectngular por los espacios de cielo falso, vigas,tuberas, etc, que pueden encontrarse en el camino.
Se busca la relacin de aspecto (R.A.) ms cercana a 1 ynunca utilizar una mayor a 5.
Esto se debe a que a mayor R.A., mayor permetro de
ducto y mayor prdida de calor. Generalmente se usan relaciones de 1.25 o 1.50
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Coeficiente de efecto del sistemade ventiladores No son valores calculados, sino determinados
experimentalmente por lo que varan segn el estudio ofabricante.
Estos coeficientes permiten al ingeniero definir la distanciamnima requerida para que el flujo de aire a la salida de laturbina o ventilador del equipo, logre desarrollar un flujoadecuado y libre de excesivas turbulencias, tanto a la
entrada como a la salida (succin o retorno y suministro odescarga)
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Coeficiente de efecto del sistemade ventiladores Para Velocidades > 2,500
fpm, Le= VoAo1/2/10600
Para Velocidades
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Fugas en ductos
Depende de la fabricacin y el tipo de junta en el ducto,adems de la calidad de la mano de obra.
Ver tablas 5, 6 y 7 y la figura 10* del manual ASHRAEFundamentos de HVAC.
*En algunas ediciones es la Fig. 13 (clasificacin de fugas en ductos)
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Fugas en ductos
En la tabla 6, clases de fuga debido a las prcticas deconstruccin
En la tabla 7, porcentaje de fugas por flujo de aire en elventilador
Adems, se considera un 2 al 5% de fugas en las rejillas ydifusores.
Generalmente se considera una fuga clase 3, en el pas seutiliza la cinta arno o de aluminio para sellado de ductos.
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Aislamiento
Si el ducto pasa por reas fuera del espacio acondicionadocon diferente temperatura o en entre cielos, debe forrarsepara evitar prdidas de energa y condensacin externa.
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Tramos de ducto rectangulardoblados y aislados.
Cincho de unin entre tramos de ductorecto. Sello mecnico por medio dedobleces para reducir fugas.
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Ducto Flexible
De bajo costo y fcil instalacin, se utilizan principalmentepara ductos secundarios o brazos del ducto principal.
Poseen aislamiento de fibra y un costillaje de alambre, conforro interior plstico y exterior reflectivo.
Requieren instalarse sin dobleces o estrangulaciones.
Con el tiempo, tienden a acumular polvo o impurezas en los
pliegues en tramos largos o donde se forman convas.
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Accesorios para ductera
Otros accesorios que puedenincluir los ductos son: Compuertas cortafuego. Puertas de acceso.
Puertos para equipos de medicin.
Detectores de humo y CO2. Alabes directrices para minimizarprdidas de presin en accesorios.
Antivibradores.
Etc.
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Mtodos de Diseo La carga trmica del equipo nos permite obtener el flujo de
aire total a suministrar. La seleccin y diseo del ducto no depende de la
temperatura, sino de la presin esttica y la velocidad. A mayor velocidad, el ducto es ms pequeo, pero con
mayor cada de presin y consumo de potencia del motor. A menor velocidad, el ducto es ms grande, con menores
prdidas, pero de mayor costo de fabricacin.
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Mtodos de Diseo
El primer paso es la zonificacin de las reas para definirel flujo del aire en cada zona.
El segundo paso ser un trazo sobre el plano del reaacondicionada para definir distancias, ramales, distribuciny salidas de aire.
Tambin hay que definir las limitantes del lugar y los
obstculos a considerar: Paredes, otros ductos, luminarias,vigas, columnas, etc.
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Mtodos de Diseo
El diseo del cielo falso y la distribucin del aire sondetalles que mejoran la esttica y el rendimiento generaldel sistema.
La seleccin de las rejillas y difusores se realiza en base ala cantidad de aire, presin y velocidades dadas paramantener una buena dispersin de aire y mantener un nivelde ruido aceptable.
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Mtodos de Diseo de ductos debaja velocidad
Para dimensionar el ducto se pueden utilizar variosmtodos, dos de los principales son:
El mtodo de la reduccin de la velocidad y
El mtodo de la prdida de presin constante
Mtodo de la Recuperacin esttica
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Mtodo de la reduccin develocidad
Usualmente se emplea en sistemas muy elementales,ductos con ninguna o mnima ramificacin, y debenincluirse compuertas (damper) para compensar elsistema y balancearlo.
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Procedimiento
1. Seleccionar la velocidad de salida de descarga en elventilador y establecer las reducciones arbitrariamente alo largo del ducto. La velocidad inicial no debe excederlos valores recomendados (tabla 10)
2. Se determina el dimetro redondo partiendo de lavelocidad y el caudal
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Procedimiento
3. Elegir el ducto rectngular si es necesario comocorresponda
4. La presin esttica del ventilador se determina con elducto de mayor cada considerando los accesorios
Normalmente no se utiliza porque se requiere de mucha experienciapara calcular los ductos con una precisin razonable.
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Mtodo de la prdida de presin(o carga) constante
Se busca que tengan todos los ductos la misma prdida porunidad de longitud y se puede emplear para disear lneasde suministro, retorno o extraccin.
Es difcil de balancear o equilibrar porque no esta provistode medios para igualar las cadas en cada boca terminal delducto.
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Procedimiento
1. Se elige una velocidad inicial en el ducto principal enbase al nivel de ruido
2. Se determina la cada de presin en base a la velocidad ycaudal
3. Deducir los dimetros de los ductos manteniendoconstante la cada
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Procedimiento
4. Definir el ducto rectngular si es necesario
5. Calcular la cada para el ducto ms largo y/o con mayornmero de accesorios para definir el motor ventilador
6. Se requieren compuertas para balancear el sistema y losterminales de aires y lograr una buena distribucin.
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Mtodo de la Recuperacinesttica Con este mtodo, los ductos son normalmente un 10% ms
grandes que con los dos anteriores.
El objetivo es obtener la misma cada de presincontrarrestando la friccin gracias a la ganancia de presinesttica al disminuir la velocidad
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Procedimiento
1. Se asume velocidad inicial
2. Se calcula la cada de presin y dimetro inicial
3. Se itera de la ecuacin para calcular el ducto siguiente.
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Ducturador
Es una solucin grficapara calcular lasdimensiones de losductos.
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REJILLAS Y DIFUSORES
Son dispositivos instalados a la salida o entradade los ductos para distribuir el aire en formaadecuada y libre de turbulencias no deseadas.
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REJILLAS YDIFUSORES
Permiten distribuir el airedentro del espacio o zonaacondicionada.
Se toman en cuenta lassiguientes consideraciones:
1. Tiro y alcance,
2. velocidad de salida,3. direccin de salida del aire y
4. nivel de ruido.
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REJILLAS Y DIFUSORES
Los difusores se pueden clasificar por las direcciones dedescarga del aire:
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REJILLAS Y DIFUSORES
Si la velocidad desalida es muy alta, seproduce un silbido en laboca del difusor.
Si la velocidad es muybaja o demasiado alta,
el difusor puedecondensar.
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SITIOS WEB
http://www.titus-hvac.com/ecatalog/
http://airmaster.co.kr/cgit/index_e.html
http://www.gamma-line.com/gsd.htm
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Rendimiento de difusores
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Difusores
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Difusores lineales
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Rejillas
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Rejillas de puerta
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Filtros
Los filtros para limpiar el aire seinstalan en el retorno.
Estos producirn una cada depresin adicional en el ducto.
A medida que el filtro seensucia, aumentar la prdida de
presin y el incremento delconsumo energtico delventilador o turbina.
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Filtros
Se usan uno o mas tipos de filtros,dependiendo del grado de limpiezarequerido del aire.
Pueden ser de mallas metlicas, defibras sintticas o cartn desechable, debolsa, de carbn (para eliminar los
olores) y electroestticos. Pueden contener agentes germicidas
para eliminar contaminacin bacterianao se complementa con una lmparaultravioleta.
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Filtros
Los filtros deben limpiarseperidicamente, por lo que el diseo dela instalacin debe permitir realizar laslabores de mantenimiento.
La suciedad ocasiona una obstruccinen el flujo de aire, riesgo de formacin
de colonias bacterianas, aumento de lacada de presin interna del ducto yaumento de la potencia del motorventilador.
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Filtros
Los filtros tipo bolsa permiten filtrar de un 25% de laspartculas de 0.3 micras hasta un 95% segn el tipo defiltro.
Su forma maximiza el rea de filtrado.
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Filtros H.E.P.A(High Efficiency Particulate Air)
Los filtros denominados H.E.P.A. o absolutos filtran del95% al 99.99% de las partculas suspendidas. Son obligatorios para aplicaciones de laboratorios, sala de
operaciones o donde la contaminacin microscpica es daina alproceso.
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Filtros Electroestticos
Funcionan creando una carga esttica entre dos placas. Elpolvo se carga en una primera etapa y luego se pega a lassuperficies de la segunda etapa. Algunos estudios indican que puede filtrar hasta un 95% de las
partculas.
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LmparasUltravioleta
El ambiente hmedo de los serpentinesevaporadores permite la proliferacin demicroorganismos como bacterias, algas,hongos y mohos.
Estos producen dos problemasprincipalmente:
Son focos de infeccin o enfermedades en eledificio,
Taponamiento de los serpentines, aumentandoel consumo de energa y reduciendo laeficiencia de la transferencia de calor.
Ing. Francisco Javier Vadillo
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LmparasUltravioleta
Esto se incrementa con el tiempo de vida del ducto y elequipo.
Debido al mantenimiento preventivo y limpieza, parte de loscontaminantes son eliminados, pero limpiezas deficientes oproblema para accesar zonas del serpentn permiten quevuelvan a crecer rpidamente.
Ing. Francisco Javier Vadillo
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Ing. Francisco Javier Vadillo
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LmparasUltravioleta
Ing. Francisco Javier Vadillo
La luz ultravioleta acta como germicida.
La eliminacin de las colonias de microorganismos sereduce la necesidad de limpieza del serpentn y ducto, porlo que tiene una ventaja econmica adicional.
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LmparasUltravioleta
Se recomienda en hospitales, quirfanos, aplicacionescrticas por contaminantes biolgicos.
Se ha desarrollado tambin en el mercado comercial yhabitacional en equipo pequeo.
Ing. Francisco Javier Vadillo
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Sistemas de distribucin de aire
100% aireexterior
100% aireretorno
Aire mezclado
plenum
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Sistemas de distribucin de aire
La distribucin de aire puede realizarse de varias formas: Volumen Constante (CAV: constante air volumen).
Un zona.
Multi zona.
Volumen Variable (VAV: variable air volumen). Terminal de un ducto.
Terminal de dos ductos.
Terminal con recalentamiento.
Terminal con ventilador.
Existen ms configuraciones, pero nos limitaremos conestas bsicas.
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CAV. Una zona.
Es el sistema ms simple consistente en un sistema de aireacondicionado en una sola zona que tiene caractersticas decargas uniformemente distribuidas o en salones amplios.
Se usa un solo control (termostato) que desconecta la unidadcuando se cumplen las condiciones de ajuste.
El ventilador de la turbina opera a velocidad constante.
Pueden usarse mltiples equipos, cada uno con su respectivoducto y termostato, en aplicaciones de gran tamao y carga.
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CAV. Una zona.
Termostato cercade la rejilla deretorno.
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CAV. Multizona.
Se utiliza un solo equipo central que distribuye a variaszonas simultneamente. Se usa un solo control (termostato) que desconecta la unidad
cuando se cumplen las condiciones de ajuste de la zonadonde se ha instalado.
Si las cargas de las zonas son muy diferentes, pueden existirtemperaturas muy diferentes entre zonas y causar molestias.
Para corregir esto, el sistema debe balancearse para que el flujo deaire saliendo en cada difusor sea el requerido. Para ello se instalan compuertas o dampers en los ramales del
ducto que pueden ser ajustados manualmente durante lainstalacin.
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CAV. Multizona.
Termostato cercade la rejilla deretorno.
ZONA 1 ZONA 2 ZONA3
Retorno a zona 1por rejilla depuerta o pared.
Retorno azona 1 porducto.
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VAV.
El sistema de volumen variable permite obtener mejoreseficiencias en los sistemas comparados con los CAV.
La velocidad del motor o el flujo de aire del ducto, cambian deacuerdo a las necesidades de carga.
Puede que requiera mltiples sensores y actuadores y su costo esms elevado y su diseo ms crtico. La seal de control puede ser presin del ducto o temperaturas.
Puede usarse en aplicaciones de deshumificacin del aire ycombinar flujos de aire fro con aire caliente para obtenercondiciones especficas de control. Esto reduce la eficiencia en general ya que requiere una fuente
adicional de calor para calentar el aire.
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VAV.
Una manejadora principal de gran tamao se encarga depresurizar con aire el ducto de suministro.
En cada ramal se instala una caja VAV que toma el aire,ajustndose a flujos mximos y mnimos para controlar lacarga de enfriamiento por medio de un termostato.
La manejadora principal, detecta por medio de presostatos la
presin dentro del ducto, ajustndose la velocidad del motor oderivando el aire por un ducto de retorno auxiliar.
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Manejadora principal de aire de
volumen variable o constante.
Caja VAV
Retorno tipo plenum.
El aire ingresa al entrecielo y de
ah es aspirado por la manejadora.
Ducto de
Ventilacin.
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VAV. Terminal de un ducto.
Las terminales VAV o cajas, poseen compuertas o damperscontroladas mecnicamente con un actuador.
Este puede ser un motor elctrico o un pistn.
Cuando la seal indica un incremento de temperatura, el damper seabre y viceversa.
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VAV. Terminal de dos ductos.
Las terminales VAV con dos ductos: uno con aire caliente y otro conaire fro manteniendo el flujo total y la presin constante.
Puede utilizarse en laboratorios o en hospitales donde una bajapresin puede permitir el ingreso de contaminantes.
La temperatura y humedad final de suministro ser la mezcla de lasdos corrientes de aire en proporcin a sus volmenes.
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VAV.Terminal con recalentamiento.
Son los ms utilizados para control preciso de humedad ytemperatura.
Primero se enfra el aire a valores menores de confort paracondensar una mayor cantidad de agua del flujo desuministro, luego pasa por un elemento calentador(resistencia elctrica, tuberas de agua caliente o vapor)para llevarlo a la temperatura final de confort.
Son sistemas de menor eficiencia, ya que debe gastar energapara recalentar el aire previamente enfriado.
En estos casos, la prioridad no es el ahorro energtico, sinola precisin de las condiciones de la zona.
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VAV.Terminal con recalentamiento.
Calentamientopor resistenciaelctrica.
Calentamiento porflujo de agua o vaporcaliente.
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VAV.Terminal con ventilador. La caja terminal incluye un ventilador que toma aire del ducto de
retorno para que el flujo de aire sea constante a la salida de la caja alvariar el flujo principal de aire fro de suministro.
Puede existir en configuracin en serie o en paralelo.
En Serie. En paralelo.
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Recuperadores de energa ERV(Energy Recovery Ventilator)
Debido a que la ventilacin implica introducir aire caliente yhmedo del exterior, a mayor ventilacin, mayor consumo deenerga y carga de enfriamiento del equipo.
Adems, el aire de extraccin esta a condiciones de aireacondicionado, por lo que desecha aire en el que se gastenerga para enfriarse.
Para reducir el tamao de los sistemas y reducir el consumoenergtico se pueden utilizar intercambiadores de calor entre el
aire de extraccin a temperaturas de la zona acondicionado y elaire de ventilacin. Esto preenfra el aire entrando y aprovecha para de la energa
que se elimin del aire de extraccin.
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ERV
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Control automtico
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Control automtico
Los sistemas centralizados pueden generar buenos ahorroscuando se cuenta con un buen control automtico.
Ahorros pueden varias de un 5% a un 25% del consumo anualde energa.
El control principalmente funciona operando las siguientesoperaciones: Encendido y apagado programado. Ajustes de temperatura cuando el clima es fro o clido.
Monitoreo de zonas ocupadas y no ocupadas. Ajustando el aire de ventilacin y extraccin. Alterando la velocidad de motores o ajustando dampers. Etc.
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Ing. Francisco Javier Vadillo
Preguntas?
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Ejercicio
La carga trmica de una zona acondicionada a 74F es de 40MBHsensible y 5MBH latente.
Instalador ofrece equipo de 5 TR con eficiencia R.E.E.E. de 10 queutiliza R-22 con un evaporador modelo Ao C.
Horario de operacin de 8:00 AM a 5:00 PM. Asumir que la temperatura ambiente es 95F y 65%HR.
Determinar:
La relacin S.H.F. La eficiencia R.E.E. nominal del equipo. La eficiencia R.E.E. y la potencia real bajo las condiciones de
operacin. El consumo de energa estimado si opera un 75% del tiempo si
se asumen las condiciones nominales y las reales.
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Datos del equipo:
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Datos del equipo: ModeloA
ModeloC
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Capacidad combinada:
ModeloA
ModeloC
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+
Datos del equipo combinado:
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Solucin
Determinando SHF:
Determinando eficiencia nominal: De la tabla de capacidad combinada del fabricante
se obtienen las eficiencias R.E.E. de la unidadcondensadora con tres modelos diferentes deevaporadores.
Modelo A, R.E.E. =9.0 Modelo C, R.E.E. = 9.3
OJO: la referencia es para 2000CFM y no los 1750 RPMnominales del evaporador.
6363.02035
35=
+=
+=
QlQs
QsSHF
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Solucin
De la tabla psicromtrica se pueden obtenerlos valores necesarios para buscar lainformacin de la tabla del fabricante.
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1. Determinar la temperaturaambiente para estimar latemperatura entrando alcondensador.
2. Determinar temperatura
bulbo hmedo del aireentrando al evaporador(EWT).
TBH
62F
95FTBH
84.5F
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Solucin
En base a la tabla del fabricante y los datos de diseo: Qs = 45.80 MBH
Qt = 50.50 MBH
Ql = 50.50-45.80 = 4.7 MBH
KW = 6.00
Calculando:
Observar que este valor ha resultado menor al nominal esperado.
En algunos casos, puede resultar mayor, indicando que el equipo esms eficiente bajo esas condiciones.
42.810006
50500
1000KW
BTU/HR.E.E. =
=
=
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Solucin Calculando el consumo de energa estimado modelo A:
Con R.E.E. = 8.42 BTU/W-h Operando el 75% de 9 horas diarias = 6.75 horas al da.
Considerando 5 das a la semana por 52 semanas.
Potencia = 6.0 KW en la condicin de diseo.
Entonces: KWH = (6.0)(6.75)(5)(52) = 10675.2 KWH/anuales.
Calculando el consumo de energa estimado modelo C: Potencia es 0.98 de la potencia modelo A = 6*0.98= 5.88 KW.
Capacidad es 1.02 del modelo A = 1.02*50500= 51510 BTU/h. REE = 51.51/5.88 = 8.76 BTU/W-h
Entonces: KWH = (5.88)(6.75)(5)(52) = 10319.4 KWH/anuales.
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Conclusiones
El equipo usado para el ejemplo son los que se conocen como deeficiencia estndar. R.E.E. alrededor de 8.5 y 9.0, cuando ya existen en el mercado
unidades con valores arriba de 10. Nominalmente es de 5 TR (60,000 BTU/h), pero la capacidad
bajo las condiciones de operacin solo era de 4.2 TR. Por eso, cuando la carga trmica indica un valor, no hay que
asumir que el valor nominal de un equipo podr cubrir esademanda de enfriamiento.
La diferencia de consumos totales de los equipos estimada es de355.8 KWH al ao y de 0.12KW de potencia entreevaporadores.
La eficiencia real de operacin depende de las verdaderascondiciones de operacin del aparato.
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Conclusiones
Es importante recordar: La carga trmica se calcula bajo condiciones de diseo que ocurren
en alrededor de un 5% de los das del ao. El resto del tiempo, lacarga ser menor.
Los equipos con capacidad constante como el del ejemplo,intentar compensar con un menor tiempo de encendido.
Los equipos con capacidad variable, podrn ajustarse a la demanda
del momento, optimizando su eficiencia y manteniendo el confortde la zona.