UNIVERSIDAD NACIONAL DE INGENIERIA
FACULTAD DE INGENIERIA MECANICA
"SUMINISTRO E INSTALACION DE UN SISTEMA
DE AIRE ACONDICINADO POR AGUA HELADA
PARA UN EDIFICIO COMERCIAL. CAPACIDAD:
310 TONELADAS"
INFORME DE INGENIERIA
PARA OPTAR EL TITULO PROFESIONAL DE
INGENIERO MECANICO
DANIEL ERNESTO OBARA A VI
PROMOCION 1997-1
LIMA-PERU
TABLA DE CONTENIDO
PRÓLOGO ... 1
CAPÍTULO 1
INTRODUCCIÓN
... 3
CAPÍTULO 11
PRINCIPIOS GENERALES DE REFRIGERACIÓN Y AIRE ACONDICIONADO
2.1
Ciclo de Refrigeración Mecánica ... 5
2.2
Psicrometría ... 7
2.2.1
2.2.2
2.2.3
2.2.3.1
2.2.3.2
2.2.3.3
2.2.3.4
2.2.3.5
Leyes Psicrométricas
...
.
...
.
7
Carta Psicrométrica ... 9
Procesos Psicrométricos ... 9
Mezcla de Dos Flujos de Aire ... 9
Enfriamiento Sensible ... 1 O
Enfriamiento con Deshumidificación ... 11
Enfriamiento y Humidificación ... 13
Calentamiento y Humidificación ... 14
2.3
Sistemas de Aire Acondicionado ... 15
2.3.1
Sistemas de Expansión Directa ... 15
2.3.3
CAPÍTULO 111
II
Sistemas Todo Aire ... 17
INGENIERÍA DEL PROYECTO Y LA INSTALACIÓN
3.1
Características del Proyecto
...
18
3.1.1
Principio de Operación del Sistema
...
18
3.1.2
Especificaciones Técnicas del Proyecto
(Equipos y Materiales)
..
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....
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...
22
3.2
Propuesta Técnica
...
.
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..
22
3.2.1
Equipamiento Principal
...
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...
22
3.2.1.1
Unidad Enfriadora de Agua
...
.
...
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...
..
.
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..
.
...
..
. 22
3.2.1.2
3.2.1.3
3.2.1.4
3.2.1.5
3.2.1.6
3.2.2
3.2.3
3.2.3.1
3.2.3.2
T arres de Enfriamiento
...
.
..
.
.
...
26
Electrobombas de Agua y Accesorios
...
27
Unidades Tipo Fan Coil
..
.
.
.
..
.
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...
.
...
.
.
...
...
28
Unidades Manejadoras de Aire
.
.
....
....
.
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..
.
..
.
...
..
31
Extractores Axiales y Centrífugos
..
.
..
.
.
.
.
..
.
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.
...
.
.
.... 34
Selección de Equipos ..
.
...
..
....
.
.
...
.
....
.
...
.
..
..
.
35
Sistema de Control Inteligente
.
..
..
...
.
.
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..
...
..
.
..
.
...
35
Descripción del Sistema de Control
.
...
.
.
.
.
...
...
...
36
Dispositivos y Elementos de Control
.
...
.
...
..
.
.
..
..
.
39
ESTRUCTURA DE COSTOS
4.1
Costo del Proyecto ...
4 7
4.2
Criterios para Estimar el Costo/Beneficio de un
Sistema de Aire Acondicionado
.
.
...
.
.
.
...
.
...
...
..
.
...
.4 7
CONCLUSIONES
...
.
...
.
...
...
..
...
..
.
. 49
BIBLIOGRAFÍA ...
...
...
.
...
..
....
.
.
....
50
PLANOS
1
PRÓLOGO
El presente Proyecto considera los trabajos por el
Suministro
e
Instalación de un Sistema de Aire Acondicionado por Agua Helada para un
Edificio comercial propiedad de Telefónica.
El Sistema tiene una capacidad total de enfriamiento
de
31 O
Ton. de refrigeración.
Este Proyecto es particularmente interesante porque
es uno de
los Primeros Edificios, de esta categoría, en tener un Sistema de
Control y
Monitoreo Inteligente
.
para todas sus instalaciones, incluyendo el
Sistema de
Aire Acondicionado. Anteriormente se hablaba de Edificios
Inteligentes
pero
sólo se dejaban habilitadas las "previsiones" para tal fin y no
se llegaban
a
implementar por distintas razones.
Si bien la programación del Sistema Inteligente
para el sistema
de climatización fue hecho fuera del país, la instalación,
pruebas y puesta
en
marcha fue realizada por personal nacional que asim
i
ló
perfectamente
la
nueva tecnología y conocimiento, mostrando capacidad y c
o
n
ocimiento
.
La implementación de este proyecto es una
muestra
de
la
capacidad del profesional y técnico nacional que tienen
todas
las
motivos aún no llega o en muy pequeñas cantidades y que inversión por
medio continúen llegando y desarrollándose en nuestro país.
El capítulo primero se hace una descripción general del Proyecto e
información complementaria del mismo mientras que el capítulo segundo es
un resumen de los conceptos teóricos básicos necesarios para comprender
adecuadamente los procesos térmicos y de configuración de los Sistemas de
climatización.
El capítulo tercero trata de la ingeniería del proyecto y de
las
consideraciones durante la instalación del sistema y el capítulo cuarto es
sobre la estructura de costos del proyecto.
Es necesario indicar que las unidades utilizadas tanto en el
Proyecto
como en el desarrollo de este Informe son las Unidades Inglesas
debido
al
arraigo que tienen éstas en este campo pues desde el dimensionamient
o
de
duetos metálicos, pasando por tuberías de acero hasta
capacidades
térmicas y caudales de agua y aire todas las unidades son las
inglesas y
su
CAPÍTULO 1
INTRODUCCIÓN
Este Informe de Ingeniería trata del Suministro e Instalación de un
Sistema de Aire Acondicionado y su respectivo Sistema de Control y
Monitoreo para el Nuevo Edificio Grimaldo del Solar,
propiedad de
Telefónica el cual fue ganado por la empresa Termo Sistemas
SAC en un
concurso privado de costos efectuado por Telefónica para su
nuevo edificio
de Oficinas en el año 1998.
El Edificio materia del Proyecto está situado en la
esquina
de las
avenidas Benavides y Grimaldo del Solar del distrito de Mir
a
flor
e
s, tiene un
área construida total de 16,916 m2 las cuales se reparten
en
5 niveles
de
Estacionamientos Subterráneos y 12 pisos de Oficinas y
Atención
al Público.
El Proyecto de Arquitectura pertenece a ARCO Arquitectos Asociados
SRL y el Proyecto Electromecánico a la firma Díaz-Déustua Ingenieros.
El Sistema de Aire Acondicionado es del tipo
Agua
Helada
con
Sistema de Volumen Variable tanto en el Circuito de Agua
Helada
de
Aire
basándose en el criterio de Ahorro de Energía.
Para cubrir la carga de refrigeración se considera una
Planta
de Frío
formada por 02 unidades enfriadoras de agua (chiller) de
compresor
tipo
helada primaria de 7.SHP cada una, 02 bombas de agua helada secundaria
de 20HP cada una y 02 bombas de agua de condensación de 20HP cada
una. Además se cuenta con dos torres de enfriamiento de 450gpm cada una.
Para distribuir el aire frío dentro del edificio se cuenta con 1 O unidades
manejadoras de aire de 7.SHP y una unidad de 10HP además de 15 tan
coils.
El Edificio cuenta además con un Sistema de Extracción de Monóxido
de Carbono en los cinco niveles de estacionamientos subterráneos para
mantener la calidad de Aire requerida.
El Sistema de Aire Acondicionado tiene una Capacidad Instalada de
310 Ton
.
de Refrigeración (Agua Helada). El Sistema de Ventilación
de
Sótanos es de una Capacidad de 57,300 cfm
.
La eficiencia del Chiller, bajo las condiciones de diseño del proyecto,
es de 0.605 kW/Ton, un valor altamente eficiente y casi
comparable
a un
chiller centrífugo, lo cual asegura un funcionamiento óptimo
desde el punto
de vista del manejo de energía y de confort.
Todos estos equipos son gobernados por un Sistema
Central
de
Control y Monitoreo que supervisa la operación de los mismos
y
genera
CAPÍTULO 11
PRINCIPIOS GENERALES DE REFRIGERACIÓN Y AIRE
ACONDICIONADO
2.1.-Ciclo de Refrigeración Mecánica.-
En la fig. 2-1 se muestra un sistema
de refrigeración simple. Los componentes básicos del sistema son:
¡
• Válvula de Expansión
• Evaporador
• Compresor
• Condensadory
• Tuberías de interconexión.
( B) Salida del p;re de
Aimentación Descarga de Gas Caliente
/
Búlbo RgmpJoVálvula de Expansión
<e>
T o..berla de Liquido
?
Salida de
p;re?
�11111111111111111111111111111111
�?
Entrada del Aire Exterior
(A) Tuberiade Aspiración
Compresor
Condensador (Enfriado por p;re)
Fig. 2-1: Ciclo de Compresión Mecánica
El compresor toma el refrigerante vaporizado del evaporador a través
de la línea de succión (punto A en la fig. 2-1). En el compresor, la presión del
refrigerante aumenta desde la temperatura y presión de vaporización hasta
una presión y temperaturas de descarga mucho más altas. En la línea de
descarga (B), el refrigerante está todavía en estado de vapor a alta
temperatura, normalmente de entre 100 y 860
ºF. Se puede utilizar un medio
de refrigeración (agua o aire) relativamente templado para condensar y
sub
enfriar el vapor caliente. En el condensador, el calor de vaporización y
compresión es transferido del gas refrigerante al medio de enfr
i
ami
e
nt
o a
través de las paredes de las superficies de transferencia de calor
del
condensador a medida que el gas se licua a una presión igual o inferior
a la
presión de descarga del compresor.
La válvula de expansión separa el lado de alta presión, del
sistema de
baja presión. El propósito de la válvula de expansión es controlar
la cantidad
de líquido que entra en el evaporador de tal forma que
exista
una cantidad
suficiente para evaporar pero sin inundar el evaporador (O)
.
En el evaporador, el refrigerante líquido se vaporiza completamente
mediante el calor tomado de la Carga del edificio
.
El calor
equiv
a
lent
e
al
calor latente de vaporización es transmitido de la carga al
refrigerante
de
baja temperatura a través de las paredes del evaporador. De
esta
forma la
carga es enfriada y deshumidificada. El punto de ebullición
(temperatura
de
7
Del evaporador, el refrigerante es conducido a través de la tubería de
aspiración al compresor, repitiéndose el ciclo.
La cantidad de calor necesaria para evaporar 1 kg. de refrigerante
líquido varía de acuerdo a las características de los refrigerantes. El punto
de ebullición de un refrigerante ideal debe ser inferior a la temperatura de
suministro del aire/agua y superior a 32
ºF, para que no se congele el agua
condensada del aire de suministro del sistema o el agua que circula por el
mismo en un sistema de agua helada. La mayoría de los refrigerantes
utilizados en la actualidad tienen un punto de ebullición relativamente bajo y
propiedades no irritantes, no tóxicas, no explosivas, no inflamables y no
corrosivas para uso con los materiales de las tuberías comercialmente
disponibles.
La siguiente figura muestra el ciclo teórico de refrigeración
en un
diagrama P-h o llamado de Moliere. La característica de este ciclo
es que no
presenta pérdidas de presión en el sistema y sin el sub-enfriamiento
del
líquido o recalentamiento del vapor.
2.2.-Psicrometría
2.2.1.-Leyes Psicrométricas
• Cuando el aire seco se satura adiabáticamente, la temperatura
se reduce y la humedad relativa se incrementa y la
reducción
de calor sensible es igual al incremento simultaneo
de
calor
e
s-o
-=
- o111 111
l�
Entalpía
Fig. 2-2: Diagrama de Molliere
• Cuando el contenido de humedad del aire se incrementa
adiabáticamete hasta que la presión de vapor corresponde
a la
temperatura de saturación, ésta se llama
"Temperatura
de
Saturación Adiabática".
• Cuando cierta cantidad de agua aislada se evap
o
r
a,
se
supone
que la temperatura final será la adiabática de
saturación y no
está afectada por convección, por lo que la
temperatura de
bulbo húmedo será la adiabática de saturación
.
• La temperatura de bulbo húmedo del aire depende
sólo
del
calor total sensible y latente y es independiente de
sus
proporciones relativas. En otras palabras la temperatura
de
9
2.2.2. Carta Psicrométrica
.- La carta psicrométrica es la representación
gráfica de las tablas y con ella se pueden analizar gráficamente las
propiedades psicrométricas. La carta muestra, básicamente, la relación entre
las cinco siguientes propiedades del aire:
Temp. de Bulbo Seco
Tbs (ºF)
Fig. 2-3: Carta Psicrométrica
• Temperatura de Bulbo Húmedo (TBH)
• Temperatura de Bulbo Seco (TBS)
• Temperatura de Rocío
• Humedad Relativa
• Humedad Específica
2.2.3.- Procesos Psicrométricos
.-2.2.3.1.-Mezcla de Dos Flujos de Aire
.- Se tienen dos masas de
aire
M1 y
M2 que al mezclarse, se comportan de acuerdo a las s
i
guiente
s exp
r
e
s
ion
e
s:
Donde:
M1 x W1 + M2 x W2 = M3 x W3
M1 x h1 + M2 x h2 = M3 x h3
M :
Masa de aire en Lb/hr.
h :
Entalpía Total en Btu/Lba
W : Humedad Específica en Lbv/Lba
(b)
(c)
Este proceso se lleva a cabo sin aumentar o disminuir calor
o
humedad.
Combinando las ecuaciones anteriores (a), (b) y (c) tenemo
s:
M1 / M2 = ( W3 - W2 ) / ( W1 - W3) = ( h3 - h2 ) / (h1 - h3 )
Tbs (ºF)
Fig. 2-4: Mezcla de Dos Flujos de Aire
2.2.3.2.-Enfriamiento Sensible
En este proceso el aire
sufre un
enfriamiento con humedad específica constante y al mantenerse
este valor
El calor removido se puede expresar:
Qs =
M
x ( ha - hb )
Te Tb
Fig. 2-5: Enfriamiento Sensible
11
Btu/hr
Ta
Tbs (ºF)
2.2.3.3.-Enfriamiento con Deshumidificación
.-
En este
proceso el
aire pasa a través de una superficie que se encuentra por
debajo de la
temperatura de punto de rocío del aire, entonces se condensará
parte de la
humedad del aire y la mezcla se enfriará simultáneamente
.
Parte del aire que está en contacto directo con la superficie
reduce su
temperatura hasta la temperatura media de la superficie, seg
ún el trazo
"a c
d ", con condensación y consecuente deshumidificación de
"c" a
"
d
"
.
El aire
que
no está en contacto con la superficie,
finalmente
se
enfriará al mezclarse con
el
aire que sí tuvo contacto, y su estado
final
caerá
sobre la línea recta entre "a"
y
"d". El trayecto real no es la línea
recta
"a d
",
sino una curva parecida
a
la punteada. Esto se debe a la continua
mezcla
Td Te Te Ta
Tbs (ºF)
Fig. 2-6: Enfriamiento con Deshumidificación
En los procesos que incluyen condensación, la temperatura Td
se
llama Punto de Rocío del Aparato.
El Calor Latente removido durante el proceso es:
QI = M x ( Wa - We ) x 1060 / 7000
Btu/hr
Donde 1060 es el calor latente de vaporización en Btu/Lb
El calor Sensible retirado es:
Qs = 1.08 x
c
x ( Ta - Td)
Donde:
C:
Caudal de aire en cfm
T:
Temperatura del aire en ºF
El Calor Total es
Qt = Qs + QI
Btu/hr
Qt
=
4.45
XC
X(ha
-
hd
)
Btu/hr
La relación del calor sensible retirado al calor total retirado
se le
llama
13
R = Qs / Qt
2.2.3.4.-Enfriamiento
y
Humidificación
.- Siempre que el aire no saturado
pasa a través de un aspersor de agua, la humedad específica aumenta y la
temperatura de bulbo seco baja. Esto constituye el proceso de saturación
adiabática es decir, es un proceso a temperatura de bulbo húmedo
constante.
El bulbo húmedo del aire está representado por el punto"c"
.
El
aire
saldrá a esta temperatura siempre que exista un buen contacto entre
"aire
agua".
a
Tbs (ºF)
Fig. 2-7: Enfriamiento con Humidificación
Puede suceder también que el agua esté a una temperatura
menor
que la del bulbo húmedo o mayor que el punto de rocío, en cuyo
caso
,
el
El aspersor de agua tendrá que ser de recirculación continua para que se
establezca el equilibrio.
2.2.3.5.-Calentamiento
y
Humidificación
- Cuando el aire pasa a través
de un humidificador, el aire se humidifica y puede calentarse, enfriarse o
permanecer a la misma temperatura. Durante este proceso, el aire
incrementa su humedad específica y entalpía, y la temperatura inicial del aire
y del agua. Si
se suministra suficiente agua en relación con el aire, éste
se
acercará a la saturación.
Según la figura:
a-b
a-c
a-d
\
1
J
/
/
/
Fig. 2-8: Calentamiento y Humidificación
Tbs (ºF)
La temperatura del agua es menor que la del a
i
r
e
.
El
agua
está a la misma temperatura que
el
aire.
15
Cuando el agua es relativamente poca, la línea "a - d" cae según
indican los puntos "a - d' ".
2.3.-Sistemas de Aire Acondicionado
Podemos dividirlos de acuerdo a la forma en que se obtiene la
climatización del ambiente acondicionado y las más utilizadas son las
siguientes:
• Expansión Directa (DX).
• Sistemas Todo Agua
• Sistemas Todo Aire y
2.3.1.-Sistema de Expansión Directa (DX) .-
El Sistema de Expansión
Directa aprovecha la temperatura, la presión y el calor latente de
vaporización del fluido refrigerante que evolucionan en el ciclo para
e
nfr
iar el
aire que será insuflado a las áreas a climatizar. Para vaporizar el refrigerante
líquido, el calor latente de vaporización debe ser aplicado al
líquido
y
es
tomado del aire que pasa a través del serpentín evaporador (ver fig
.
2
-
1)
.
Los sistemas de climatización por expansión directa están
disponibles
como equipos de tipo ventana con capacidades de refrigeración
de menos
de 24,000 Btu/hr hasta grandes equipos compactos de más de 100
Ton
.
de
refrigeración. Pueden ser de construcción tipo Paquete en la que
todos los
componentes, incluyendo los controles están contenidos
en
el
mismo
equipo, o de un sistema Split en el que el condensador y el compresor
están
contenidos en un gabinete (Unidad de Condensación) en el
exterior del
ambiente climatizado y el Serpentín de Enfriamiento y Válvul
a
,
no
este caso, las tuberías de refrigerante (líneas de líquido y de gas) deben ser
instaladas y aisladas (sólo la de gas) en obra.
2.3.2.-Sistema Todo Agua
.- Este sistema consiste en utilizar como medio
refrigerante agua helada o salmuera que circula por el serpentín de
enfriamiento de los equipos terminales ya sean Fan Coils o Unidades
Manejadoras de Aire.
El agua helada es generada en forma remota en el evaporador de un
enfriador (Chiller). El enfriador, que es una máquina de refrigeración
integrada, transfiere internamente el calor desde el evaporador al
condensador, donde el calor es descargado a la atmósfera por el sistem
a de
condensación
.
El agua helada que sale del evaporador es conducida
hasta
a
los
serpentines de enfriamiento de equipos terminales (fan coils, unidades
manejadoras de aire, etc) que recogen el calor y humedad de los ambientes
acondicionados y lo transfieren por convección y radiación al
agua helada
que circula por ellos y que es nuevamente conducida al
enfriador para
continuar el ciclo.
La fig. 2-9 muestra un Sistema de Agua Helada donde
se puede
apreciar sus diferentes componentes. Es usado mayormente en
sistemas de
grandes capacidades.
s s
Compresor
__ __;� Bomba de Agua
He-Fig. 2-9: Sistema de Agua Helada
Condensador Enfriado po,
Aire ..,__,¡.
17
2.3.3.-Sistema Todo Aire.-
Cuando se tienen sistemas de
este tipo,
entonces se utiliza un equipo central de distribución de Aire frío (Unidad
Manejadora de Aire por ejemplo) que por lo general está distante
del área
acondicionada y el aire es conducido a través de una red
de duetos
metálicos hasta las zonas a climatizar.
La siguiente figura grafica este sistema.
AJreFrma>
....
----.... --+---t
Retomo de Aire