UNIVERSIDAD INDUSTRIAL DE SANTANDERFACULTAD DE INGENIERIAS FISICOMECANICAS

ESCUELA DE INGENIERIA MECANICAREFRIGERACION Y AIRE ACONDICIONADO

Febrero 24 de 2015, Bucaramanga, Santander, COLOMBIA

ACONDICIONAMIENTO DE LOCALES

Calculo de la carga latente y sensible del laboratorio de CNC de la escuela de ingeniería

mecánica UIS.

Diego Fernando Camacho GómezCod. 2103071

Bucaramanga, Colombia

INTRODUCCIÓN.

En el cálculo de las cargas térmicas hacia un local, se deben tener en cuenta factores externos e internos que alteran las condiciones psicométricas dentro del loca. Es importante tener en cuenta todos los efectos tanto externos como internos para una correcta selección del equipo que se encargara de estabilizar las condiciones en el local.

Los factores de carga externos son los que participan en el cálculo de los componentes de la carga de refrigeración que surgen de las influencias externas del exterior hacia el espacio que está siendo enfriado. Estos componentes de la carga de refrigeración provienen de:

Conducción de calor a través de paredes y techos exteriores y aleros. Conducción de calor a través de particiones interiores, techos y pisos. Efectos de las radiaciones solares que pueden ser. Convertidas en efectos de conducción y convección a través de paredes y techos o vidrio. Transmitida directamente a través del vidrio desde el exterior.

Las cargas internas involucran componentes de las cargas de enfriamiento que se derivan de fuentes internas en el espacio acondicionado. Estos componentes son:

Luces Gente Accesorios y equipo de laboratorio

Daniel Felipe Verano CastilloCod. 2104634

Bucaramanga, Colombia

Fernando David Ramírez CorredorCod. 2111029

Bucaramanga, Colombia

Potencia disipada por los equipos Otras cargas internas.

En este trabajo se analizarán las condiciones de carga tanto externas como internas que llegan al laboratorio de CNC de la escuela de mecánica de la UIS.

OBJETIVO GENERAL

Utilizar el método enseñado en clase para estimar la carga de calor latente y sensible que llega al local seleccionado.

Objetivos específicos

Identificar todos los factores que influyen en la carga térmica del local (internas y externas)

Comparar el valor calculado con la capacidad que tiene la unidad refrigeradora del local.

CARGAS INTERNAS

Iluminación

Para el cálculo del calor disipado por las luces, se tiene lo siguiente:

qs=3.41∗q l∗Fu∗F s∗CFL

Donde

qs es la carga sensible de enfriamiento en Btu/hr

q l es la potencia total de las lámparas

Fu es la fracción de q l en uso

F s es factor de reducción de lastre especial para lámparas fluorescentes

CFL es el factor de carga de enfriamiento

A continuación se calculan cada uno de los coeficientes de la ecuación principal.

El laboratorio para su iluminación cuenta con 8 plafones, cada uno con 2 flourecentes.

q l=2 flourecentes∗8 plafones∗40 [W ]=640 [W ]

Fu=1 Porque todas las lámparas están prendidas.

En la tabla 4.1 encontramos F s según la potencia de la lámpara y la cantidad que hay de estas por plafón.

Potencia de lámpara[W] No. De lámparas por plafón

F s

40 2 1.260

CFL=1 Porque el sistema de refrigeración esta encendido cuando las luces están encendidas.

Con los factores determinados, calculamos la carga de calor sensible por las luces

qs=3.41∗640∗1∗1.2∗1=2618.88[BTU /hr ]

Personas

qS=qs , personapersonas

∗N ° de personas∗CFL

qL=ql , personapersonas

∗N ° de personas∗CFL

Donde

qs , persona es el calor sensible por persona

q l , persona es el calor latente por persona

Carga total

q Totalpersona

=qL+qS=q SLpersona

∗N ° de personas

Según la tabla 4.5 (rata de calor ganado de los ocupantes de los espacios acondicionados) obtenemos el valor total de calo. En el espacio a acondicionar contiene en total 20 personas, todos hombres adultos.

Grado de actividad Aplicaciones típicas hombre adulto totalqL , persona+qS , persona

Vatios Btu/hrSentado, trabajo liviano, mecanografia

Oficinas, hoteles, apartamentos.

185 640

q Totalpersona

=640∗20=1280[BTU /hr ]

Equipos de desprendimiento de viruta

Motores funcionando al 70% de su potencia nominal

1. FRESADOR CNC

qF=Potn∗%de trabajo∗850∗3.41

Donde

Potn=20[KVA ]

% de trabajo=0.7

qF=20∗0.7∗0.85∗3.41∗1000=40579 [Btu/hr ]

2. TORNO CNC

qT=Pot n∗% de trabajo∗850∗3.41

Conversión W a Btu/hr

Conversión de KVA a W

Potn=12[KVA ]

qT=12∗0.7∗0.85∗3.41∗1000=24362.7 [Btu/hr ]

3. CALOR ADSORBIDO POR LOS PRODUCTOS TRABAJADOS Y VIRUTAS

qViruta=mremovidahora

∗N ° demaquinas∗∆T pieza∗q especificodelmaterialdela pieza

q especificodelmaterialdela pieza

=0.897 [ Jg°C ]=0.2142[ kcalkg°C ]

N ° demaquinas=2

∆T pieza=5° C

Material de trabajo

El material empleado en las piezas mecanizadas en aluminio

El volumen del bloque es

V=200∗100∗50=1000000mm3=0.001m3

Y la densidad del aluminio es 2700[kg/m3]

Entonces la masa a trabajar es:

m=ρ∗V=0.001∗2700=2.7[kg ] en media hora

mremovidahora

=5.4 [kg /hr ]

Por lo tanto

qViruta=5.4∗2∗5∗0.2142=11.5668 [ kcalhr ]=45.87 [Btuhr ]Entonces calculamos el calor total por equipos de desprendimiento de viruta, que sería la suma de los tres calores calculados anteriormente.

qvirutatotal

=qT+qF+qViruta=24362.7+40579+45.87=64987.57 [Btu /hr ]

La carga producida por viruta y adsorbida por la pieza es sumada debido a que las piezas y la viruta no son sacadas del cuarto de trabajo.

Equipos de potencia.

qme=ABC∗F L∗CFL

La puerta de acceso cuenta con un mecanismo eléctrico y automático que permite cerrarla y abrirla. Este cuenta con un motor de ¼ de caballo. A continuación se hace el análisis para encontrar los factores.

En la tabla 4-12 encontramos la información según las condiciones en las que trabaja el equipo de apertura de la puerta. Se selecciona tipo A porque el motor y el equipo de accionamiento están dentro del cuarto.

Para el cálculo del factor de carga, se consultó la potencia del motor de la puerta y la distancia que recorre está en un Angulo de 90°

Para el factor de carga tenemos lo siguiente:

Tiempo medido de apertura=1 seg

Fuerza de apertura=5 kgf

Potapertura=5∗9.81∗1.57

1=77W=0.1HP

FL=Pot aperturaPotmotor

= 0.10.25

=0.4

Factor de enfriamiento (CFL)

Este factor es igual a uno, ya que el sistema de aire acondicionado no está prendido durante 24 horas:

Condiciones de posición del motor y del mecanismo de trabajo

Factor de carga

Potencia HP

Tipo de motor

Rpm nominal

Eficiencia Motor in BTU/hrTipo A

0.25 Fase dividida 1750 54 1180

Por lo tanto

qme=1180∗0.4∗1=472[ Btuhr ]Computadores

Por búsqueda en internet, se encontró que la potencia disipada por un PC de mesa se encuentra alrededor de 100W y para una laptop cercano a los 40W

Computadores de escritorio: 5

Laptops: 10

q pc=40∗10+5∗100=900W=3071[ Btuhr ]

CARGAS EXTERNAS.

Análisis de paredes, techos y ventanas.

Condiciones para el cálculo de la carga de enfriamiento.

Mes de análisis: febrero Día de análisis: 15 Hora de análisis: 5:00 p.m. Temperatura ambiente: 23°C

Temperatura lab de staf: 29.2 °C Temperatura cuarto de análisis (Lab de CNC): 22°C Latitud de Bucaramanga: 7.18°

PARED ESTE (PARED A LA SOMBRA)

Para este análisis se asumirá que las temperaturas de lado y lado de la pared serán las temperaturas de los laboratorios

CALCULO DE R (CONSTANTE DE CONDUCCION DE LA PARED)

Componentes de la pared

En el laboratorio, identificamos los componentes en los que fueron elaboradas las paredes del salón. En la tabla 3.11, se representan las capas más comunes, y comparando con los elementos compuestos de la pared se identificaron los siguientes elementos en la siguiente tabla.

Description Code number

R

Outside surface resistance A0 0.333Finish A6 0.1741 in. Stucco A1 0.2084 in. Common brick C4 0.790.75 in. Plaster E1 0.149Inside surface resistance. E0 0.685

Rtotal 2.339

Área efectiva

Coeficiente global de transferencia de calor.

U= 1Rtotal

=0.4275 [ Btu

hr∗ft 2∗° F ]q paredeste=U∗A∗∆T=0.4275∗347.13∗(84.56−71.6 )

q paredeste=1923.24 [Btuhr ]

Pared Oeste (pared a la sombra)

Para los siguientes análisis se tomarán los cálculos anteriores de la resistencia total y el coeficiente global de transferencia de calor, ya que la pared es la misma, es decir, corresponde a la siguiente composición: A0A6A1C4E1E0

Areaefectiva=347.13 ft2

q paredoeste=U∗A∗∆T=0.4275∗347.13∗(82.4−71.6 )

q paredoeste=1602.6992[ Btuhr ]

Pared norte (pared a la sombra)

Area=b∗h

Area=7.5∗4.3

Area=32.25m2=347.13 ft2

En este análisis se modifica el área efectiva de la pared, ya que esta se compone de 4 ventanas, pero los demás análisis como la resistencia total y el delta de temperaturas en la pared se mantiene. Como en el anterior ejercicio, las temperaturas a cada lado de la pared corresponden a la del ambiente y el laboratorio de CNC respectivamente.

AREA EFECTIVA.

Areaventanas=4 (0.99∗3.77 )=14.9292m2

Areatotal=4.3∗9.9=42.57m2

Areaefectiva=Areatotal−Areaventanas=27.64m2=297.51 ft2

Ya con los datos anteriores, calculamos el calor por conducción en la pared.

q parednorte=U∗A∗∆T=0.4275∗297.51∗(82.4−71.6 )

q parednorte=1373.60367 [ Btuhr ]

Pared sur (pared soleada)

Con el análisis realizado para el cálculo del coeficiente global de transferencia de calor de la pared y las características con la que está hecha la pared, en la tabla 3.9 se comparó estos valores y se encontró que la pared es una tipo E.

0.99 X 3.77 0.99 X 3.77

0.99 X 3.77 0.99 X 3.77

Areaventanasy puerta

=2 (0.99∗3.77 )+(3.77∗1.48 )+(3.05∗2.8)=21.5842m2

Areatotal=4.3∗9.9=42.57m2

Areaefectiva=Areatotal−Areaventanasy puerta

=20.986m2=225.9 ft2

Con la orientación, el tipo de pared y la hora de análisis buscamos el valor de la CLTD.

En este análisis, la CLTD debe corregirse porque las condiciones del cuarto son distintas a los valores tabulados en el texto.

CLTDc= (CLTD+ LM )∗K+(78−T R )+(T 0−85)

En la tabla 3.12 buscamos el valor de CLTD corregido por latitud y mes (LM). Como estamos en Bucaramanga, tomamos una latitud de 8° y calculamos para el mes de febrero. Cabe recordar que la orientación de la pared es sur.

Lat. Mes N NNE NNW

NE NW

ENE WNW

E W

ESE WSW

SE SW

SSE SSW

S HOR

8 febrero -3 -4 -3 -3 -1 -1 1 2 4 -1

En la tabla 3.10 encontramos el valor de la CLTD, según la orientación de la pared y la hora del día. Para este cálculo debemos encontrar la hora crítica del día. En la siguiente grafica se describe el comportamiento de la CLTD para una pared tipo E en función de las horas del día.

0.99 X 3.77 0.99 X 3.77

3.05 X 2.81.48 X 3.77

0 5 10 15 20 250

5

10

15

20

25

30

35

40

Pared tipo E

SUR

hora del dia

CLTD

Con la gráfica anterior, se observa que la CLTD es máxima cuando son las 5:00 p.m., por lo tanto para esta hora la CLTD correspondientes es 34.

K es el factor ajustado de color. Como la superficie es de color claro tomamos K=0.65

Temperatura del cuarto

T R=22° C=71.6 ° F

Temperatura ambiente

Bucaramanga posee una temperatura máxima de 30°C con un rango de temperatura de 14°C. Con estos datos podemos calcular la temperatura ambiente promedio por medio de la siguiente ecuación.

T o=T max−R2=30−14

2=23 ° C=73.4 ° F

Ya con todos los datos anteriores, podemos corregir la CLTD por pared.

CLTDc= (34+4 )∗0.65+(78−71.6 )+(73.4−85 )=19.5

El coeficiente global de transferencia es el mismo que el encontrado anteriormente, ya que es la misma pared.

Calculamos la rata de transferencia de calor por la pared

q pared sur=U∗A∗CLTD c=0.4275∗225.9∗19.5=1883.16[ Btuhr ]

Techo (superficie soleada)

Para determinar la resistencia total del techo, se emplea el mismo procedimiento anterior, solo que las capas que contiene este, son diferentes por lo que se debe comparar los elementos existentes con la tabla 3.11. Las capas del techo se presentan a continuación.

description Code number

R

outside surface resistance A0 0.3330.5 in. slag or stone E2 0.050.375 in. felt membrane E3 0.2858 in. l.w. concrete C16 6.67Inside surface resistance. E0 0.685

Rtotal 8.023

Coeficiente global de transferencia de calor.

U= 1Rtotal

=0.124642 [ Btu

hr∗ft2∗° F ]

Área efectiva

Con la orientación, el tipo de pared y la hora de análisis buscamos el valor de la CLTD.

En este análisis, la CLTD debe corregirse porque las condiciones del cuarto son distintas a los valores tabulados en el texto.

CLTDc= (CLTD+ LM )∗K+(78−T R )+(T 0−85 )∗f

En la tabla 3.12 buscamos el valor de CLTD corregido por latitud y mes (LM). Como estamos en Bucaramanga, tomamos una latitud de 8° y calculamos para el mes de

Area=b∗h

Area=9.9 X 7.5

Area=74.25m2=799.22 ft2

febrero. Para este caso, como estamos analizando un techo, tomamos el valor para superficie horizontal.

Lat. Mes N NNE NNW

NE NW

ENE WNW

E W

ESE WSW

SE SW

SSE SSW

S HOR

8 febrero -3 -4 -3 -3 -1 -1 1 2 4 -1

En la tabla 3.8 encontramos el valor de la CLTD, según el techo y la hora del día. Para este cálculo tomamos sin techo falso y comparamos el valor del coeficiente global de transferencia anteriormente calculado con el tabulado en esta tabla, luego escogemos el valor de CLTD correspondiente a la hora escogida para nuestro análisis (5 p.m.), esto se puede representar en la siguiente gráfica.

0 5 10 15 20 250

10

20

30

40

50

60

CLTD Techo

U=0.126

Hora del dia

CLTD

Rool N°

Descripción de construcción

Peso [lb/ft2] Valor de U(Btu/h ft2 °F)

Solar time17 horas

8 8 in. L.w. concrete 31 0.126 46

K es el factor ajustado de color. El cuarto se puede tomar como área industrial ya que posee máquinas y el techo está pintado con un tono claro. Con lo anterior K=1

f es el factor de correcion para la ventilación del cielo raso, f=1 ya que el techo no tiene ventiladores.

Ya identificados todos los factores, calculamos la CLTD corregida.

CLTDc=(46+ (−1 ) )∗1+(78−71.6 )+(73.4−85 )∗1=39.8

Calculamos la rata de transferencia de calor por el techo

q techo=0.124942∗799.22∗CLTD c=0.4275∗225.9∗39.8=3843.58[ Btuhr ]

Puerta (superficie soleada de metal)

La puerta contiene 3 ventanas, en cada una de ellas está dividida por 24 ventanas pequeñas de 0.2X0.19, por lo tanto:

Areaventanas=24∗3∗(0.2∗0.19)=2.736m2

Areatotal puerta=3.05∗2.8=8.54m2

Areaefectiva=Areatotal puerta−Areaventanas=5.804m2=62.474 ft2

Para determinar la resistencia total de la puerta, se emplea el mismo procedimiento anterior, solo que se asume la pared de material metálico. Según la tabla 3.11, tenemos las siguientes capas de la puerta.

description Code number

R

outside surface resistance A0 0.333Steel siding A3 0.0002Air space B1 0.91Steel siding A3 0.0002Inside surface resistance. E0 0.685

Rtotal 1.9284

U= 1Rtotal

=0.51856 [ Btu

hr∗ft2∗° F ]

3.05 X 2.8

0.2x0.190.2x0.190.2x0.19

Como la puerta está hecha de un material más ligero que el material de las paredes, asumimos esta como un tipo G.

En la tabla 3.10 encontramos el valor de la CLTD, según la orientación de la pared y la hora del día. Para este cálculo tenemos la hora escogida para los cálculos (5:00 p.m.). En la siguiente grafica se describe el comportamiento de la CLTD para una pared tipo G en función de las horas del día.

0 5 10 15 20 25-10

0

10

20

30

40

50

60

PARED TIPO G

ESTE

hora del dia

CLTD

Con la gráfica anterior, se observa que la CLTD correspondiente a las 5:00 p.m. es de 31

En la tabla 3.12 buscamos el valor de CLTD corregido por latitud y mes (LM). Como estamos en Bucaramanga, tomamos una latitud de 8° y calculamos para el mes de febrero. Cabe recordar que la orientación de la pared es ESTE.

Lat. Mes N NNE NNW

NE NW

ENE WNW

E W

ESE WSW

SE SW

SSE SSW

S HOR

8 febrero -3 -4 -3 -3 -1 -1 1 2 4 -1

K es el factor ajustado de color. Como la puerta es oscura, tomamos K=1

Ya con todos los datos anteriores, podemos corregir la CLTD por pared.

CLTDc=(31+(−1))∗1+(78−71.6 )+(73.4−85 )=23.8

Calculamos la rata de transferencia de calor por la pared

q puerta=U∗A∗CLTDc=0.51856∗62.474∗23.8=771.037 [Btuhr ]

VENTANAS

Ventanas norte (ventanas sombreadas)

Areaventanas=4∗(3.77∗0.99 )=14.929m2=160.69 ft2

Para determinar el coeficiente global de transferencia del vidrio, nos dirigimos a la tabla 3.14 A en donde mencionan algunos valores dependiendo de las características del vidrio, a continuación se menciona el tipo de vidrio a emplear de la tabla.

Description Exterior vertical panelsSummer WinterNo indoor shade

Indoor shade No indoor shade

Indoor shade

Single glass 1.04 0.81 1.10 0.83

U=0.81[ Btu

hr∗ft2∗° F ]Ya con los datos obtenidos anteriormente, calculamos la rata de calor de las ventanas

q paredoeste=U∗A∗∆T=0.81∗160.69∗(82.4−71.6 )=1448.624[ Btuhr ]

Carga solar sobre las ventanas

Este procedimiento será aplicado a la pared sur, ya que esta está completamente expuesta a la radiación solar, en la mayoría de tiempo que ilumina el sol. A continuación se encontraran los factores y áreas para el cálculo de la carga térmica.

Ventanas pared sur

0.99 X 3.77 0.99 X 3.77

0.99 X 3.77 0.99 X 3.77

Áreas de ventanas

Areaventana1 y 2

=2 (3.77∗0.99 )=7.465m2=80.35 ft2

Areaventana3

= (3.77∗1.48 )=5.58m2=30.06 ft2

Areaventana4

=72 (0.2∗0.19 )=2.736m2=29.45 ft2

Areaefectiva=∑ Areaventanas=169.86 ft2

La carga térmica se calcula de la siguiente manera.

q=A∗SC∗SHGF∗CFL

Donde

SC= coeficiente de sombreado para combinación de tipo de vidrio y el tipo de sombreado

SHGF= factor de ganancia de calor solar máximo para la orientación específica de la superficie, la latitud y mes.

CFL= factor de carga de enfriamiento sin sombreado interior

Para calcular SC, nos dirigimos a la tabla 3.18. En el laboratorio de CNC, todas las ventanas tienen persianas venecianas, por lo tanto, se selecciona en la tabla de la siguiente manera.

Type of glass

Type of Interior ShadingVenetian Blind Roller Shades

Opaque TranslucentMedium Light Dark Light Light

Single Clear 0.64 0.55 0.59 0.25 0.39

Para calcular SHGF, nos dirigimos a la tabla 3.25 y según la latitud del lugar, el mes y la orientación de la pared, encontramos este valor, como se muestra a continuación. Cabe

1 2

34

resaltar que estamos en el mes de febrero, Bucaramanga tiene una latitud cercana a los 8° y la pared esta inclinada al sur

8 degreesMes N NNE/

NNWNE/ NW

ENE/ WNW

E/W ESE/ WSW

SE/ SW

SSE/ SSW

S HOR

FEB. 34 34 114 193 239 248 219 165 110 294

Para calcular el CFL, nos dirigimos a la tabla 3.28 y según la hora seleccionada para los cálculos (5:00 p.m.) y la orientación de la pared (sur), tenemos

CFL=0.27

Ya con lo anterior calculamos el flujo de calor hacia la ventana.

q=A∗SC∗SHGF∗CFL=169.86∗0.55∗110∗0.27=2774.66 [Btuhr ]

Calor por conducción hacia la ventana

qconduccion=U∗A∗CLTDc

En este análisis, la CLTD debe corregirse porque las condiciones del cuarto son distintas a los valores tabulados en el texto.

CLTDc=CLTD+ (78−T R )+(T 0−85 )

En la tabla 3.23 encontramos el valor de la CLTD según la hora del día. Para nuestro caso

CLTD=14

Por ende corregimos la CLTD

CLTDc=14+(78−71.6 )+(73.4−85 )=8.8

El coeficiente de transferencia de calor y el área, son los mismos calculados anteriormente para vidrios.

U=0.81[ Btu

hr∗ft2∗° F ]A=169.86 ft2

Por lo tanto tenemos lo siguiente:

qconduccion=U∗A∗CLTDc=0.81∗169.86∗8.8=1210.76[ Btuhr ]

Carga total hacia el local.

Sumando todos los calores calculados anteriormente, obtenemos que

q total=∑i=1

i

q i=89260.81[ btuhr ]

Conclusión

La unidad de aire acondicionado del laboratorio de CNN, en su etiqueta indica que tiene una capacidad de enfriamiento de 80000 BTU/HR, este valor comparado con el calculado, indica hipotéticamente que la esta unidad no es suficiente para la cantidad de carga latente y sensible que hay que extraer del local. Uno de los factores que influyeron en el cálculo de la carga total, son las condiciones ambientales y la hora del día en donde los efectos de la radiación y la convección son más fuertes, es decir, los cálculos se hicieron bajo las peores condiciones ambientales. Otros de los factores que también inciden en la capacidad total de enfriamiento, es la fecha que se escogió para hacer el análisis, ya que en esta época del año, Colombia pasa por la estación de verano. Además, cuando se seleccionó la unidad para el laboratorio hasta el día de hoy, las condiciones ambientales han variado mucho, producto del aumento de temperatura ambiente de Bucaramanga y debido a los cambios climáticos.

Cabe resaltar que durante el cálculo de la carga de enfriamiento se consideraron todos los factores, además los valores de equipos y personas es alto comparado con el número que realmente se encuentra dentro del local, además las maquinas no están prendidas todo el tiempo y muy rara vez están prendidas al mismo tiempo, y el flujo de gente de equipos y gente hacia el sitio es muy bajo. Aun así, si la carga calculada es mayor a la especificada en la unidad, se está sobre diseñando al considerar todos los factores al mismo tiempo, por lo que se puede afirmar que la unidad de aire acondicionado que se encuentra instalada actualmente en el local cumple con los requerimientos de carga del lugar