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Proyecto de un sistema de acondicionamiento de aire para una sucursal bancaria en la ciudad de Veracruz, Veracruz

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Academic year: 2023

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(1)

ESCUELA SUPERIOR DE INGENIERÍA MECÁNICA Y ELÉCTRICA 

UNIDAD AZCAPOTZALCO 

“ PROYECTO DE UN SISTEMA DE ACONDICIONAMIENTO DE AIRE PARA UNA SUCURSAL BANCARIA EN LA CIUDAD

DE VERACRUZ, VER.”

T E S I S

QUE PARA OBTENER EL TITULO DE:

I N G E N I E R O M E C A N I C O PRESENTA:

ARMANDO LÓPEZ LÓPEZ

MÉXICO, DF. 2005

(2)

A ti PAPA, que estas siempre ahí, a nuestro lado en lo bueno y lo malo. Que nos demuestras cada día que para triunfar en la vida, siempre hay que luchar por lo que quieras, a base de estudio, dedicación y amor. GRACIAS por ser como eres.

A la mujer que me ha dado la vida y me ha dado todo su amor, que con su cariño, ternura me acompaña día a día y me ha enseñado a caminar por la vida, a ti MAMA, GRACIAS por tu amor y comprensión.

Con todo cariño a mi HERMANO que demuestra que no hay quedarse por vencido y seguir adelante, cuando en el camino se encuentran barreras que impiden seguir avanzando, GRACIAS por todo.

(3)

realizar uno de parte mis sueños, GRACIAS a toda la FAMILIA LÓPEZ.

A ese hombre que nos ha dado mucho, sin nada a cambió, con todo su amor y dedicación.

GRACIAS, ABUELITO por todas tus enseñanzas.

A mis ABUELITOS que no están presentes pero si están en mi corazón, y me acompañan en todo momento, con todo mi amor y respeto.

(4)

personas que me ayudaron a mi formación y despertar en mi, el espíritu de superación

A la escuela que me ayudo a crecer como persona, al INSTITUTO POLITÉCNICO NACIONAL. GRACIAS, por ser parte de ti.

Mi agradecimiento a cada uno de mis MAESTROS, por su paciencia y dedicación así mí, así como a mis PADRES.

(5)

PAGINA

INTRODUCCIÓN 3

CAPITULO 1 C O N C E P T O S B Á S I C O S

1.1 HISTORIA

1.2 REFRIGERACIÓN

1.3 ESTADOS DE LA MATERIA 1.4 TEMPERATURA

1.5 PRIMERA LEY DE LA TERMODINÁMICA 1.6 SEGUNDA LEY DE LA TERMODINÁMICA 1.7 MOVIMIENTO DEL SOL

1.8 PROPIEDADES DEL AIRE 1.9 AISLAMIENTO

6 7 9 12 14 16 19 21 26

CAPITULO 2 B A L A N C E T É R M I C O

2.1 ANÁLISIS DEL LOCAL 2.2 ORIENTACIÓN

2.3 TIPOS DE GANANCIA DE CALOR 2.4 CICLO DEL REFRIGERANTE

2.5 CONDICIONES BÁSICAS PARA EL DISEÑO 2.6 MES MAS CALUROSO

2.7 COEFICIENTE DE TRANSMISIÓN (U)

2.8 GANANCIA DE CALOR A TRAVÉS DE SUPERFICIES

2.9 GANANCIA DE CALOR POR RADIACIÓN SOLAR EN VIDRIO 2.10 GANANCIA DE CALOR GENERADO DENTRO DEL LOCAL 2.11 (E­20) FORMATO

29 31 32 40 44 46 48 52 58 63 68

CAPITULO 3 D E S C R I P C I Ó N D E L O S E Q U I P O S Q U E I N T E G R A N U N S I S T E M A D E R E F R I G E R A C I Ó N

3.1 ELEMENTOS BÁSICOS 3.2 COMPRESOR

3.3 TIPO DE COMPRESORES 3.4 EVAPORADOR

3.5 TIPO DE EVAPORADORES

71 72 72 74 74

(6)

3.8 DISPOSITIVOS DE CONTROL ( VÁLVULA DE EXPANSIÓN ) 3.9 TIPOS DE VÁLVULAS DE EXPANSIÓN

77 77

CAPITULO 4 C Á L C U L O Y S E L E C C I Ó N D E L O S E Q U I P O S

4.1 TEMPERATURA DEL APARATO (ADP) 4.2 VOLUMEN DE AIRE REQUERIDO 4.3 PRE­SELECCIÓN DEL EQUIPO 4.4 TEMPERATURA DE INYECCIÓN

4.5 TEMPERATURA DE SUMINISTRO DE AIRE AL CUARTO 4.6 TEMPERATURA DE LA MEZCLA

4.7 CONDICIONES DE ENTRADA DEL SERPENTÍN

81 81 82 82 82 83 83

CAPITULO 5 D I S T R I B U C I Ó N D E A I R E

5.1 DISTRIBUCIÓN 5.2 CLASIFICACIÓN

5.3 PROCEDIMIENTO PARA DISEÑO DE DUCTOS 5.4 MÉTODO DE CALCULÓ DE DUCTOS

5.5 MÉTODO DE IGUAL FRICCIÓN 5.6 LISTA DE MATERIALES

85 85 87 87 89 93

CONCLUSIÓN 99

BIBLIOGRAFÍA 101

ANEXO

CARTA PSICROMETRICA PLANOS ARQUITECTÓNICOS PLANOS DISTRIBUCIÓN DE AIRE CATALOGO TRANE

TABLAS Y GRAFICAS CARRIER

(7)

PLANOS ARQUITECTONICOS

(8)

BANCO DEL BAJÍO CUADRO DE DATOS 

I NSTI TUTO   POLI TECNI CO  NACI ON AL 

UNIDAD PROFESIONAL AZCAPOTZALCO  ESCUELA SUPERIOR DE INGENIERIA MECANICA 

UBICACION: 

APROBO  PROPIETARIO 

DISTRIBUCION DE AIRE Y UBICACION DE EQUIPO 

SISTEMA DE ACONDICIONAMIENTO DE AIRE 

ORIENTACION 

ACOTACIONES: 

PLANO: 

1: 50  OCTUBRE 2005 

ESCALA: 

FECHA: 

PROYECTO: 

ESTACIONAMIENTO 

AVENIDA HIDALDO  CALLE MEXICO  colindancia 

BANCO  LOPEZ LOPEZ  ARMANDO  ADYCSA 

LOCALIZACION  BANCO DEL BAJIO 

DIBUJO 

colindancia 

AA1 

NO. PLANO: 

AVENIDA HIDALGO NO. 11154 

ESQ. AVENIDA HIDALGO Y CALLE MEXICO  VERACRUZ, VER.

(9)

BANCO DEL BAJÍO

SIN ESCALA

(10)

BANCO DEL BAJÍO

SIN ESCALA

(11)

BANCO DEL BAJÍO

SIN ESCALA

(12)

BANCO DEL BAJÍO

SIN ESCALA 

CORTE 1  ­ 1 ' 

N.P.T.  ­ 0 . 0 3 

V

(13)

PLANOS DISTRIBUCIÓN DE AIRE

(14)

SIMBOLOGIA DE PLANO

BANCO DEL BAJIO

(15)

DISTRIBUCIÓN DE AIRE BANCO DEL BAJÍO

SIN ESCALA

(16)

DISTRIBUCIÓN DE AIRE BANCO DEL BAJÍO

SIN ESCALA

(17)

LOCALIZACIÓN DE EQUIPO BANCO DEL BAJÍO

SIN ESCALA

(18)

DISTRIBUCIÓN DE AIRE BANCO DEL BAJÍO

SIN ESCALA

(19)

DISTRIBUCIÓN DE AIRE Y EQUIPO BANCO DEL BAJÍO

SIN ESCALA

(20)
(21)
(22)
(23)

CARRIER

(24)

I  N T R O D U C C I Ó N 

En el planeta existen diversidad de lugares con diferentes características como son los bosques, desierto, así como las playas, etc donde existen diferentes condiciones, unos mas calurosos otros mas húmedos en su ambiente, todos los lugares con características diferentes en los cuales se puede pensar que no se podría vivir a gusto o conservar algún producto en alguno de estos lugares.

Desde épocas antiguas el hombre a experimentado diferentes acontecimientos que suceden en la naturaleza como la aparición del fuego el cual fue utilizado para cocer sus alimento o fue utilizado para estar cerca de el y no tener frió, así como también se dieron cuenta que el hielo podía conservar sus alimentos mayor tiempo sin echarse a perder.

Con el paso del tiempo el hombre fue evolucionando y lo que habían experimentado, ahora lo fueron estudiando y aplicándolo su conocimiento para llevarlo acabo, hasta tener en estos días tecnología cada vez mas avanzada.

Como fue pasando el tiempo, las necesidades fueron cambiando. Lo que antes era buscar un lugar para vivir con las mejores condiciones o donde se encontrara una fuente importante de comida, Ahora para mejorar su bienestar a condiciones requeridas ya sea en su casa, la oficina, el teatro o todo lugar donde quiera estar.

Ahora es muy común encontrar equipos de aire que mantengan dichos lugar en condiciones requeridas de confort. Estos equipos de aire casi son indispensables en lugares como la ciudad de Veracruz donde existen altas temperaturas y no se podrirá estar en un lugar en especial como el súper mercado, banco, cine, etc si no hasta que la temperatura descendiera por lo que en este caso se acondicionara un banco que existirá en la CD. De Veracruz el cual tendrá un horario de oficina y por lo tanto si no cuenta con un sistema de acondicionamiento de aire no podrían laborar a gusto.

(25)

La ciudad de Veracruz, se localiza sobre el del golfo de México. Hoy, Veracruz se distingue por ser un centro regional, de trascendencia, comercial y de servicio, que muestra una extensa y variada región de gran importancia económica y constituye el paso obligado hacia el sureste del país.

En donde esta ciudad es de gran importancia en su economía, para el comercio y donde hay un constante manejo de dinero y por lo tanto es muy importante tener un banco con condiciones agradables y que hagan sentir al cliente una agradable estancia.

Por lo que se realizara un estudio con respecto al lugar, y todo lo que este relacionado con el edificio para así poder tener todos esos factores que se involucran, y afectan al incremento de la temperatura dentro del lugar.

Se analizara y determinara que meses es el que tiene mayores temperaturas para después determinar a que hora sucede este incremento dentro de este mes, para tener una aproximación mas real que afecta a este edificio.

Y para esto debemos utilizar todo los conceptos básicos de la termodinámica que nos ayudaran a determinar con mayor sencillez nuestro calculo para después proponer un equipo de aire acondicionado adecuado y no proponer uno sin bases o aleatoriamente.

(26)

C O N C E P T O S B Á S I C O S

(27)

CAPITULO 1 

C O N C E P T O S  B A S I C O S 

1.1 HISTORIA

Recientes se ha producido y utilizado en masa el equipo para refrigeración, sus beneficios ya habían sido observados en la antigüedad. Las tribus que vivían en regiones de caza cercana a las zonas polares habían observado que la carne de los animales, o de los peces atrapados durante el invierno, se conserva en buen estado. Pero a medida que la nieve se fundía y llegaba el verano, la carne se descomponía más rápidamente. Más cerca del ecuador, las altas temperaturas y la humedad ocasionaba una descomposición rápida, de manera que llegaron a convertirse en dieta normal del hombre unas delgadas tiras de carne secada al sol.

El valor del hielo como conservador es conocido y utilizado desde hace miles de años. En los tiempos bíblicos, los griegos y los romanos obtenían hielo de los Alpes para utilizarlos de neveras. Los indus realizaron también los primeros intentos para desarrollar el acondicionamiento del aire; se colgaban esferas empapadas en agua en las ventanas y en las puertas para conseguir un enfriamiento por evaporación durante los tiempos cálidos y secos. A los romanos, por su parte, les preocupaban más los vientos fríos y así, desarrollaron sus propios sistemas de calefacción central por debajo de los pisos.

Durante casi 1500 años fue poco el proceso y solo hasta 1748 se llevo acabo el primer intento para emplearse sistemas modernos, ya en dicho año William Cullen investigo los efectos de evaporación del éter etílico en un vació parcial. Y hubo que esperar hasta el año de 1834 cuando Jacob Perkinns patento un sistema de refrigeración por ciclo cerrado utilizando un compresor. En este año se patento un circuito de calefacción a alta presión y agua caliente. Diez años más tarde John Gorrie creo una planta por ciclo de aire para hacer hielo y enfriar el aire.

El hombre emigraba a ciudades en rápido crecimiento y tanto en América como en Australia, aparecían enormes ranchos ganaderos; una refrigeración confiable y eficaz resultaba esencial para poder transportar carne fresca a las ciudades en cantidades suficientes. Los años 1850 representaron un gran adelanto para los sistemas de compresores de vapor. En los Estados Unidos, el equipo para la producción de hielo Twinning obtuvo renombre, mientras que James Harrison construía unidades para congelar las carnes y para aplicaciones de cervecería en Australia, algunos años mas tarde la introducción del amoniaco como

(28)

refrigerante permitió que tanto la eficiencia como la confiabilidad mejoraran considerablemente. El amoniaco inspiro una nueva generación de compresores del sistema reciprocante y fue utilizada por Ferdinand Carre en el primer sistema de refrigeración por absorción práctico, presentado en 1859 y que utilizaba amoniaco – agua que en la actualidad se utilizan en los refrigeradores.

El que la refrigeración lograse tales adelantos en el siglo XIX se debió, en gran parte, al trabajo de William Thompson, mas tardé conocido como Lord Kelvin. Pocos años después de kelvin, Willis Carrier llego acabo una investigación sobre la cual se basa hasta ahora el acondicionamiento del aire acondicionado.

En una visión retrospectiva puede afirmarse que los propios refrigerantes son los que mas participaron en el desarrollo de la refrigeración. De los que había disponibles muchos eran venenosos o explosivos, o ambas cosas y otras solo funcionaban a presiones altas que requieren compresores.

En 1928 el vicepresidente de investigación de General Motors en los Estados Unidos llego a la conclusión de que se necesitaba un refrigerante y la empresa Du Pont patento un nuevo refrigerante llamado Freon 12 (R12) e idearon compresores y componentes de sistemas mas pequeños y ligeros con propiedades no toxicas y no explosivas. Y sus avances seguirán habiendo como en la bombas de calor y en sus aplicaciones con controles electrónicos y variadores de velocidad de los motores.

Actualmente en nuestras sociedades muchos productos y servicios vitales dependen del control del clima interno. La comida para nuestra mesa, la ropa que vestimos y la biotecnología de donde obtenemos químicos, plásticos y fertilizantes.

La refrigeración juega un rol importante en la medicina moderna, desde sus aplicaciones en el cuidado de los bebes y salas de cirugía y ha hecho posible el crecimiento y desarrollo de las áreas tropicales, proporcionando los medios para mas y mejores vidas productivas.

1.2 REFRIGERACIÓN

La refrigeración es un proceso de transferir o remover calor. Los principios básicos de la refrigeración tiene como fundamento dos leyes termodinámicas estudia las relaciones entre el calor y las otras formas de energía. Además, mientras más grande es la diferencia de temperatura, mas rápidamente se transmite el calor. El frió no puede ser fabricado si no es el resultado de remover el calor.

(29)

TIPOS DE REFRIGERACIÓN

Existen cinco tipos de refrigeración a saber:

1. Domestica 2. Comercial

3. Aire acondicionado 4. Marina

5. Industrial

DOMESTICA La refrigeración domestica o casera se usa primordialmente para conservar alimentos. Las temperaturas bajas controlan el crecimiento de bacterias en alimentos cuando se reduce dicho crecimiento se evita que la comida se descomponga.

COMERCIALES La refrigeración comercial abarca: equipos para supermercados, refrigeración para restaurantes y diversos tipos de refrigeradores comerciales que se encuentran en hospitales, florerías, etc.

La refrigeración comercial utiliza dos escalas de temperatura ligeramente arriba del punto de congelación 32º F se utiliza para el almacenamiento. Y la segunda temperatura inferior a 32º F los congelara porque contienen agua. Así también se puede aplicar para una pista de patinaje que se deberá mantener de 0 y –15º F.

ACONDICIONAMIENTO DE AIRE El aire acondicionado es una aplicación de refrigeración a temperatura de alta. Es el proceso de tratar el aire, de tal manera, que se controle simultáneamente su temperatura, humedad, limpieza y distribución, para que cumpla ciertos requisitos del espacio acondicionado.

Las acciones importantes involucradas en la operación del sistema de aire acondicionado:

1. Control de temperatura.

2. Control de humedad.

3. Filtración, limpieza y purificación del aire.

4. Circulación y movimiento del aire.

En el aire acondicionado, mientras mas grande es el equipo, mas complicado es el sistema de control. En refrigeración, mientras más baja sea la temperatura, es más complejo el sistema de control.

MARINA La refrigeración marina se usa en la industria de la pesca. En un barco requiere una instalación especial para superar los problemas de corrosión causados por el aire.

(30)

INDUSTRIAL La refrigeración industrial tiene muchas aplicaciones como cuando se fabrica loseta para piso se hace circular agua helada que trabaja a temperaturas ultra bajas.

En nuestro caso utilizaremos aire acondicionado que es una rama de la refrigeración. Para acondicionar aire en un espacio, se requiere tener algunas definiciones básicas y proseguir con su cálculo y selección de algún equipo.

1.3 ESTADOS DE LA MATERIA

Toda materia conocida, existe en una forma de las tres formas físicas o estados: sólidos, liquidas o gaseosas. Hay marcada diferencias entre estos estados físicos son:

1. La materia en estado SÓLIDO mantiene su cantidad, forma y dimensiones físicas aun si se mueve de un lugar a otro.

2. La materia en estado LIQUIDO, mantiene su cantidad y tamaño pero no su forma. El liquido siempre toma la forma del recipiente que lo contiene.

3. La materia en estado GASEOSO, no tiene una tendencia a retener ni el tamaño ni la forma.

Aunque las diferencias específicas existen en los tres estados de la materia, con bastante frecuencia, bajo condiciones cambiantes de presión y temperatura, la misma sustancia puede existir en cualquiera de los tres estados, como sólido, líquido o vapor, por ejemplo: hielo, agua, vapor de agua.

Los sólidos siempre tienen formas definidas mientras que los líquidos y gases no tiene forma definida en si misma y toman la forma de su recipiente.

MOVIMIENTO MOLECULAR

Toda la materia se compone de pequeñas particulares llamadas moléculas y la estructura molecular de la materia puede posteriormente, romperse en átomos.

(31)

Tratando únicamente con las moléculas, la partícula más pequeña en la cual puede descomponerse cualquier materia o sustancia y aun mantener su unidad. Por ejemplo una molécula de agua 

H  

esta compuesta de dos átomos de hidrógeno y uno de oxigeno. Si esta molécula de agua se rompe y se subdivide posteriormente en partículas subatómicas dejara de ser agua.

Las moléculas varían en forma, tamaño y peso, y estas tienen tendencia a mantenerse juntas. El carácter de la materia en si misma: depende de la forma, tamaño y peso de las moléculas individuales que la constituyen y también del espacio o la distancia entre ellas, porque son en un grado extenso, capaces de moverse.

Cuando se les aplica energía calorífica a una sustancia, se incrementa la energía interna de las moléculas, lo cual aumenta su desplazamiento o velocidad de movimiento, hay también un incremento en la temperatura de la sustancia.

Cuando se retira el calor de una sustancia se presenta una disminución en la velocidad del movimiento molecular y también un descenso de la temperatura interna de la sustancia.

CAMBIO DE ESTADO

Cuando una sustancia sólida se calienta, el movimiento molecular es principalmente la forma de rápido movimiento vibratorio, no desplazándose nunca las moléculas de su posición normal u original. Pero en algunas temperaturas dada, para una sustancia en particular, la adición posterior de calor, no necesariamente incrementara el movimiento molecular dentro de la sustancia; en su lugar, el calor adicional causara que algún sólido se licue ( cambia a liquido ) así el calor adicional causa un cambio de estado en la materia.

La temperatura a la cual tiene lugar en una sustancia este cambio de estado, se llama punto de fusión. Por ejemplo si en un recipiente de agua a 70°F, en el cual se le ha colocado un termómetro se deja en el congelador durante horas. Cuando se extraiga del congelar se ha convertido en un bloque de hielo, ha tenido lugar la solidificación.

Y si suponemos, que el termómetro indica una temperatura de 20°F, si se le permite estar a temperatura ambiente, se transferirá calor del aire, del cuarto al hielo, hasta que el mismo indique 32°F, entonces parte del hielo empieza a volverse agua.

(32)

Con la continuación de la transferencia de calor del aire del cuarto al hielo, mas hielo se volverá agua; pero el termómetro indicara una temperatura de 32°F hasta que todo el hielo se funda. La licuefacción se ha producido.

Como se menciono cuando todo el hielo se funde el termómetro indicara una temperatura de 32°F, pero la temperatura del agua continuara subiendo hasta alcanzar la temperatura del cuarto.

Si se adiciona suficiente calor al recipiente del agua utilizando medios externos como mecheros o un soplete, la temperatura del agua se incrementara, hasta alcanzar 212°F, a esta temperatura y bajo presión atmosférica normal, otro cambio de estado se llevara a cabo vaporización.

Parte del agua pasara a vapor y con la adicción de más calor, toda el agua se vaporizara; aun cuando la temperatura del agua no se incrementa de 212°F.

Si el vapor de agua puede ser contenido dentro de un recipiente cerrado y si se retira la fuente de calor, el vapor de agua cederá calor a los alrededores y retornara nuevamente a la forma liquida – agua. Lo que ha sucedido ahora se llama condensación el proceso reversible de la vaporización.

Cambios de estados:

SOLIDIFICACION (cambio de líquido a sólido ) LICUEFACCIÓN (cambio de sólido a líquido ) VAPORIZACIÓN ( cambio de líquido a vapor ) CONDENSACIÓN (cambio de vapor a líquido )

SUBLIMACIÓN ( cambio de sólido a vapor sin pasar por el estado líquido ) Existen diversos tipos de medidas como longitudes, peso etc. pero existen otro tipo de medidas de la materia como intensidad de calor y conversión de la materia.

INTENSIDAD DE CALOR

El calor es una forma de energía que no es medible entre si misma, pero la intensidad de calor y la temperatura de una sustancia, puede medirse. La unidad de la intensidad de calor se llama el grado, medida sobre una escala de temperatura.

El termómetro o escala Fahrenheit, se basa en las posiciones relativas del mercurio cuando el agua esta en punto de congelación y cuando el agua esta hirviendo. La distancia entre estos puntos fueron divididos en 180 porciones llamados grados. El punto donde el agua se congela o el hielo se

(33)

funde bajo condiciones de presión atmosférica normal. El termómetro Fahrenheit ha sido uno de las más comunes escalas de trabajo para la ingeniería.

Un termómetro Celsius, inicialmente llamado termómetro centígrado utilizado la escala para el sistema métrico. Fue basado en la decisión de dividir la distancia entre los puntos de congelación y de ebullición en 100 porciones o partes iguales, con el punto de congelación a 0°C y el punto de ebullición 100°C. Estos puntos o temperaturas escogidos a causa de que el agua tiene temperatura tiene temperaturas de ebullición y congelación muy constantes y ser el agua una sustancia común.

La medida de la intensidad del calor tenemos localizado dos puntos de referencia el punto de congelación y el punto de ebullición del agua en ambas escalas ahora mencionáremos un tercer punto de referencia el cero absoluto, este es el punto donde se cree, todo el movimiento molecular cesa y esta alrededor de ­460°F .

1.4 TEMPERATURA

La temperatura de una sustancia determina su posición en una escala de actividad térmica.

La escala utilizada para medir la temperatura se determina por su comodidad para llevar a cabo los cálculos y en diferentes ocasiones, se han elegido escalas distintas. En todas ellas se determina unos puntos fijos y las posiciones de los demás puntos giran en torno a ellos.

CELSIUS En esta escala hay dos puntos fijos, el punto de ebullición y el punto de congelación reciben el valor de 0°C y el punto de ebullición recibe el máximo de 100°C. Entre los puntos de congelación y de ebullición se divide la escala en 100 divisiones iguales, cada una de ellas a 1°C

FAHRENHEIT Esta escala tiene valores diferentes a los puntos fijos de la escala Celsius. El punto de congelación del agua es de 32°F y el punto de ebullición es de 212°F. La escala entre estos dos puntos se divide en 180 partes iguales.

CONVERCIONES DE TEMPERATURA

La conversión de una escala de temperatura a otra se hace por el uso de tablas de conversión, pero se pueden obtener por medio de ecuaciones:

(34)

(

32 

9  5 

32  8 

.  1

-

°

=

°

+

°

=

° 

F  C 

C  F 

TERMÓMETROS CON ESCALA FAHRENHEIT Y CELSIUS

CANTIDAD DE CALOR

La cantidad de calor es diferente a la intensidad de calor a causa de que tiene consideración no solamente la temperatura del fluido o sustancia a ser medido sino también su peso. La unidad de cantidad es la British Termal Unit (BTU). El agua se usa como un patrón para la unidad de cantidad de calor: un BTU es la cantidad de calor requerida para incrementar la temperatura de una libra de agua un grado Fahrenheit a nivel de mar. 

DEL AGUA  PUNTO DE CONGELACION 

1 0 °  0 °  5 0 °  4 0 °  3 2 ° 

2 0 ° 

1 0 ° 

0 °  1 0 0 ° 

1 0 0  DIVISIONES 

9 0 °  8 0 °  7 0 °  6 0 °  1 8 0  DIVISIONES 

1 3 0 °  1 2 0 °  1 1 0 °  1 0 0 ° 

3 0 ° 

2 0 °  5 0 ° 

4 0 °  1 7 0 ° 

1 6 0 °  1 5 0 °  1 4 0 °  2 1 2 ° 

1 9 0 °  2 0 0 ° 

1 8 0 °  1 9 0 ° 

8 0 ° 

7 0 ° 

6 0 °  9 0 °  PUNTO DE EBULLICION 

DEL AGUA 

°F  °C

(35)

1.5 PRIMERA LEY DE LA TERMODINÁMICA

La primera ley de la termodinámica ( la rama de la ciencia que trata con la acción mecánica del calor) establece que la energía no puede ser creada ni destruida. Solamente puede convertirse de una forma a otra. La energía en si misma se define como la habilidad de hacer trabajo, y el calor es una forma de energía.

Hay otras formas de energía: mecánica eléctrica y química las cuales pueden convertirse fácilmente de una a otra. El generador con turbina accionada por vapor de agua, de una planta térmica es un equipo que convierte energía calorífica en energía eléctrica. La energía química puede convertirse en energía mecánica a través de la aplicación de un motor eléctrico para conducir u operar equipos controlados. La energía eléctrica puede usarse o convertirse en energía calorífica por medio de arreglos de bobinas eléctricas de alambre, como en el caso de un horno eléctrico tostador, calentador o similares.

El calor viaja de la sustancia más caliente a la más fría. En resumen el calor es una forma de energía; el calor puede ser transferido; la intensidad de calor puede ser medida.

CALOR ESPECÍFICO

El calor específico de una sustancia es la cantidad de calor en BTU requerida para cambiar la temperatura de una libra de la sustancia en un grado Fahrenheit

El calor específico de una sustancia también cambiara, con un cambio en el estado de esta. El agua es un ejemplo muy preciso de esta variación en el calor específico y sabiendo que en líquido es 1.0 pero cuando es un sólido se aproxima a 0.5 y este mismo valor se aplica al vapor de agua (el estado gaseoso).

En el circuito de refrigeración es interesante usar principalmente con sustancias en forma liquida o gaseosas y la habilidad de absorber o dar calor, también en la distribución con el propósito de enfriar o calentar una área dada.

CALOR SENSIBLE

Es el calor que se puede sentir o medirse se llama calor sensible. Este es el calor que causa un cambio de temperatura de una sustancia, pero no un cambio de estado. La sustancia bien sea en estado sólido, liquido o

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gaseoso, contiene calor sensible, en alguno grado, siempre que su temperatura este por encima del cero absoluto.

Como se menciono antes, una sustancia puede existir como un estado sólido, líquido, gaseoso o vapor. La sustancia como un sólido contiene algún calor sensible y también cuando esta en otros estados de la materia.

La cantidad total de calor necesitada para traerlo de un estado sólido a un estado de vapor depende:

1. su temperatura inicial como sólido

2. la temperatura en la cual el cambio de un sólido a liquido 3. la temperatura a la cual cambia de liquido a un vapor 4. su temperatura final como vapor.

También incluye el calor que se requiere para efectuar estos dos cambios de estado.

CALOR LATENTE

Bajo un cambio de estado, la mayoría de las sustancias tendrán un punto de fusión en el cual ellas cambiaran de un sólido a un liquido sin ningún incrementó en temperatura. En este punto, si la sustancia esta en un estado liquido y el calor se retira de ella la sustancia se solidificara sin ningún cambio de temperatura. El calor envuelto en uno u otro de estos procesos ( cambio de un sólido a un líquido o de un líquido a un sólido ), sin un cambio en temperatura se conoce como el calor latente de fusión.

La palabra latente deriva del latín oculto. Este es un calor oculto que no se registra sobre un termómetro ni puede sentirse. Es innecesario decir que no hay incremento o decrecimiento del movimiento molecular dentro de la sustancia por que esto se manifestaría en un cambio en la temperatura en el termómetro.

Otro tipo de calor latente que debe ser considerado cuando se habla de calor se llama calor latente de vaporización. Este es el calor que una libra de líquido absorbe mientras cambia a su estado de vapor. O puede clasificarse como calor latente de condensación, cuando el calor sensible se remueva del vapor hasta que alcance el punto de condensación y luego se condense en forma liquida.

La absorción de la cantidad de calor necesaria para el cambio de estado de un liquido a vapor por vaporación y la liberación de esa cantidad de calor necesaria para el cambio de estado de un vapor a liquido por condensación son los principales fundamentos del proceso de refrigeración o ciclo. La

(37)

refrigeración es la transferencia de calor por el cambio en el estado del refrigerante.

1.6 SEGUNDA LEY DE LA TERMODINÁMICA

La segunda ley de la termodinámica, como se establece que la transferencia de calor es en una sola dirección de mayor a menor temperatura; y eso tiene lugar a través de tres modos básicos de trasferencia de calor.

CONDUCCIÓN

La conducción se describe como la trasferencia de calor entre las moléculas cercanas de una sustancia, o entre sustancias que están tocándose o en un buen contacto una de la otra. Cuando la transferencia de calor ocurre en una sola sustancia, tal como una varilla de metal con un extremo en una barrial de fuego , el movimiento de calor va hasta que hay un balance de temperatura a todo lo largo de la longitud de la varilla.

Si la varilla se sumerge en agua, las moléculas que se mueven rápidamente sobre la superficie de la varilla transmitirán algún calor a las moléculas del agua y otras de transferencias de calor por conducción tendrán lugar. Cuando la temperatura exterior se enfría, hay aun algún calor dentro de la varilla y esta continuara transfiriéndola a la superficie de la varilla y luego al agua hasta alcanzar el balance de temperaturas.

La velocidad con la cual el calor se transfiere por medio de la conducción varia con las diferentes sustancias o materiales si las sustancias o materiales son de la misma dimensión. El valor de transferencia de calor varía de acuerdo a la habilidad de los materiales o sustancias para conducir calor. Los sólidos, en general son muchos mejor conductores que los líquidos; y a su vez los líquidos conducen mejor el calor que los gases o vapores.

La mayoría de los metales tales como la plata, cobre, acero y el hierro, conducen el calor mucho más rápido. Mientras que otros materiales tales como el vidrio, la madera y otros materiales de Construcción transfieren el calor en una conducción más lenta y por lo consiguiente es usado como AISLANTE.

El cobre es un excelente conductor de calor como lo es el aluminio. Estas sustancias son ordinariamente usadas en los evaporadores, condensadores y tuberías de refrigeración que conecta a varios

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componentes de un sistema de refrigeración, aunque el hierro es ocasionalmente usado con algunos refrigerantes.

El valor del cual el calor puede conducirse a través de varios materiales depende de factores tales como:

1. el espesor del material 2. su área seccional

3. la diferencia de temperatura entre los lados del material 4. la conductividad térmica (k) de un material

5. el tiempo de duración del flujo de calor.

Los materiales con alta conductividad se usan dentro del sistema de refrigeración en si mismo a causa de que es deseable que una trasferencia de calor rápida ocurra tanto en el evaporador como en el condensador. El evaporador es donde es calor se remueve del espacio acondicionado o la sustancia o del aire que ha estado en contacto directo con la sustancia. El condensador disipa este calor a otro medio o espacio.

CONVECCION

Otro medio de transferencias de calor es por el movimiento del material calentado en si mismo cuando se trata de un liquido o gas. Cuando el material se calienta, las corrientes de conveccion son producidas dentro del mismo y las porciones mas calientes de el suben, ya que el calor trae consigo el decrecimiento de la densidad de flujo y un incrementó en el volumen especifico.

El aire dentro de un refrigerador y el agua que se calienta en una vasija son ejemplos de los resultados de la conveccion, el aire en contacto con el serpentín de enfriamiento donde el calor se remueve de el. El ciclo de conveccion se repite siempre que haya una diferencia de temperatura entre el aire y el evaporador.

El agua que se calienta en una vasija será afectada por las corrientes de convección que produce dentro de ellas mediante la aplicación de calor. El agua mas cerca de la fuente de calor al absorber este, viene a ser mas tibia y se expande. Con lo cual se vuelve más liviana sube y se reemplaza con el agua más fría que esta encima de ella y por lo tanto más densa. Este proceso continuara hasta que toda el agua se encuentre a la misma temperatura.

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RADIACIÓN

Un tercer medio de trasferencia de calor es la radiación por medio de ondas similares a la de la luz o a las ondas de sonido. Los rayos del sol calientan por medio de ondas de calor radiante el cual viaja en caminos rectos sin calentar la materia que proviene en su corrido o el aire. El calor de un bulbo de luz o de una estufa calienta es radiante en naturaleza y se siente cuando se esta cerca de ella, aunque el aire entre la fuente y el objeto cuando los rayos pasan a través de el no se calienta.

A baja temperatura hay solamente una pequeña cantidad de radiación, y solamente se notan diferencias menores de temperatura, por consiguiente la radiación tiene pequeño efecto en el proceso real de refrigeración, pero los resultados de la radiación de los rayos solares directos pueden causar un incremento en la carga de refrigeración en un edificio expuesto a estos rayos.

El calor radiante es rápidamente absorbido por materiales o sustancias oscuras o mates, mientras que en las superficies o materiales claros, reflejaran las ondas de calor radiante, como lo hacen con los rayos de luz.

Los diseñadores de ropa y los fabricantes de las mismas, hacen uso de este hecho probado, suministrados materiales claros para los trajes de verano.

Este principio se utiliza en el campo de aire acondicionado, donde, con techos y paredes claras, penetrara menos calor radiante en el espacio acondicionado, reduciendo así el tamaño del equipo de enfriamiento requerido. El calor radiante también penetra fácilmente las ventanas o vidrios claros, pero es absorbido por vidrio opaco o traslucido.

Cuando el calor radiante o energía ( ya que todo el calor es energía ) es absorbido por materiales o sustancias, se convierte en calor sensible el cual puede sentirse o medirse. Todo cuerpo o sustancia absorbe energía radiante en alguna cantidad, dependiendo de la diferencia de temperatura entre el cuerpo específico o sustancia y otras sustancias. Toda sustancias radiara energía cuando su temperatura es mayor que el cero absoluto y otra sustancia próxima este a menor temperatura.

Si un automóvil se deja bajo el sol caliente, con las ventanas cerradas durante un periodo de tiempo largo la temperatura dentro del carro será mucho mayor que la del medio ambiente que lo rodea. Esto demuestra que la energía absorbida por los materiales de los cuales se contribuye el carro se convertirá a calor sensible, que puede medirse.

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1.7 MOVIMIENTO DEL SOL

Desde la antigüedad, el hombre se ha preocupado por comprender el movimiento del sol, porque no solo le sirve para mejorar las condiciones de vivienda, sino también para medir el tiempo y orientarse de sus viajes.

Al observar la salida y la puesta del sol en las diferentes épocas del año es posible darse cuenta que:

1. Solo el 21 de marzo y el 23 de septiembre el sol aparece y se oculta con exactitud por el este y el oeste, respectivamente.

2. En otras épocas del año, el sol aparece y se oculta un poco a la izquierda o a la derecha de estos puntos cardinales.

De la observación de la posición del sol a las 12 del día se define que:

1. Solamente dos días al año la luz del sol incide exactamente perpendicular a la tierra los demás días no.

2. El 21 de junio el sol tiene su máxima inclinación hacia el norte

3. El 22 de diciembre el sol tiene la máxima inclinación hacia el sur y la mayor inclinación de todos los días del año.

4. El recorrido del sol en el día siempre es sobre un plano inclinado imaginario.

Si se miden los ángulos de inclinación respecto a una línea vertical imaginaria del lugar se tiene que:

1. La máxima inclinación hacia el norte ( 21 de junio ) es de 4°3´

2. La máxima inclinación hacia el sur ( 22 de diciembre ) es de 42°51´

3. El punto medio de las inclinaciones ( 21 de marzo y 23 de septiembre ) es de 19°24´

La posición del sol es 21 de marzo y el 23 de septiembre es paralela a la línea del ecuador, y ya que todos los rayos del sol son paralelos entre si, y se obtiene lo siguiente en estos puntos.

1. El ecuador se encuentra en el centro de las inclinaciones del sol.

2. Por encontrarse en ese punto, es la parte de la tierra que conserva más calor durante todo el año, ya que las inclinaciones del sol son las mínimas. ( un rayo de sol que incide mas inclinado sobre una superficie produce menos calor ) .

3. Conforme uno se aleje del ecuador, los lugares son más fríos, pues las inclinaciones del sol son más pronunciadas.

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MOVIMIENTO REAL DE LA TIERRA

¿Cómo debe ser el movimiento de la tierra alrededor del sol, para que se den estas inclinaciones? Tomaremos el caso del ecuador para entender este movimiento, en el cual se tiene una inclinación máxima del sol el 21 junio.

POSICIÓN DEL LA TIERRA EN JUNIO

Como se sabe el sol permanece fijo respecto a la tierra y que el 22 de diciembre esta se encuentra en la posición contraria respecto a su orbita, se da lo siguiente:

POSICIÓN DEL LA TIERRA EN DICIEMBRE

Al juntar estas dos posiciones se define la trayectoria de la tierra alrededor del sol.

TRAYECTORIA DEL LA TIERRA 2D

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TRAYECTORIA DEL LA TIERRA 3D

Teniendo que:

1. Cuando en el hemisferio norte es verano ( 21 de junio ) por estar los rayos del sol mas cercanos a la vertical, en el hemisferio sur es invierno, es decir, cuando los rayos están inclinados.

2. Cuando en el hemisferio norte es invierno ( 22 de diciembre 9 pasa lo contrario que en el punto anterior.

3. Hay lugares, como el polo norte, donde en algunas del año no reciben los rayos del sol y en otras lo recibe continuamente ( sol de medianoche )

VARIACIÓN DEL DIA Y LA NOCHE A LO LARGO DEL AÑO De acuerdo a la proyección de la ciudad de México se tiene:

1. Solo el 21 de marzo y el 23 de septiembre el sol sale exactamente a las seis de la mañana y se oculta a las seis de la tarde.

2. Debido a la inclinación de los recorridos del sol, el 21 de junio este aparece en el horizonte más temprano (cinco de la mañana) y se oculta mas tarde ( siete de la noche ).

El 22 de diciembre es el día mas corto de todo el año, ya que el sol sale a las siete de la mañana y se oculta a las cinco de la tarde.

1.8 PROPIEDADES DEL AIRE

El aire es una mezcla de gas incoloro e insabora que rodea toda la tierra.

Este aire que envuelve toda la tierra se conoce como atmósfera. Se expande hasta una altura aproximadamente 645 Km. y se divide en diferentes capas. La capa mas cercana a la tierra se llama atmósfera, y desde el nivel del mar hasta 15 Km. La capa de 15 hasta 50 Km. se llama

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troposfera, la capa de 50 hasta 95 Km. se llama estratosfera, y de los 95 a los 400 Km. se llama ionosfera.

Puesto que nosotros podemos movernos libremente en el aire, podríamos decir que el aire no tiene peso, o por lo menos tiene poco peso, que es despreciable. El aire si tiene peso y sorprendentemente pesado. Su densidad varia, siendo mayor al nivel del mar que en la cima de la montaña.

El aire no es un vapor saturado que este cercano a temperaturas donde puede ser considerado. Es siempre un gas altamente sobrecalentado, o más precisamente, es una mezcla de gases altamente sobrecalentados.

Así que cuando calentamos o enfriamos aire seco, solamente estamos agregando o quitando calor sensible.

Podemos enfriar o calentar el aire, limpiarlo y moverlo, pero esto no cambia significativamente sus propiedades; ya que los relativos cambios de temperaturas que se le hagan, solo causan pequeños cambios de volumen y de la densidad.

Si el aire seco se calienta se expande; y su densidad disminuye, cuando la presión permanece constante. Inversamente, si se enfría el aire seco, aumenta su densidad. Aun mas, las temperaturas, densidades, volúmenes y presiones todas varían proporcionalmente.

El aire atmosférico es una mezcla de oxigeno, nitrógeno, bióxido de carbono, hidrógeno, vapor de agua, y un porcentaje de estos gases como el argon, neon, ozono, etc.

NOMBRE SÍMBOLO QUIMICO % EN PESO % EN VOLUMEN

NITRÓGENO 

N  

75.47 78.03

OXIGENO 

O  

23.19 20.99

BIÓXIDO DE CARBONO 

CO  

0.04 0.03

HIDRÓGENO 

H  

0.00 1.01

GASES RAROS ­ 1.30 0.94

En áreas congestionadas o industriales, también puede haber gases conteniendo azufre, carbono, plomo y cientos ácidos.

Cada uno de estos gases que compone el aire, se comporta de acuerdo a la ley de Dalton. Brevemente, esta ley nos dice que “Una mezcla de dos o más

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gases, pueden ocupar el mismo espacio al mismo tiempo, y que cada uno actúa independientemente de los otros, como si los otros no estuvieran allí”, Esto es, si un cuarto esta completamente lleno de aire, también esta completamente lleno de oxigeno, de nitrógeno, vapor de agua, etc. cada uno independiente del otro.

Cada uno de ellos tiene su propia densidad, su propia presión, y cada uno responde a los cambios de volumen y temperatura a su propia manera. El aire tiene peso, densidad, temperatura, calor especificó y conductividad térmica, pero esta es muy pobre.

VAPOR DE AGUA ( HUMEDAD ) La humedad es un término utilizado para describir la presencia de vapor de agua en el aire, ya sea de intemperie, o dentro del espacio.

Las palabras “vapor” y “gas”, comúnmente la empleamos para referimos a lo mismo, pero en realidad, un gas es un vapor altamente sobrecalentado, muy lejos de su temperatura de saturación, como el aire. Un vapor esta en condiciones de saturación o no muy lejos de ellas, como el vapor de agua.

Así pues, el vapor de agua o humedad en un espacio, puede estar en condición de saturación o ligeramente arriba de ella. Si lo enfriamos unos cuantos grados , hacemos que se condense, y si le aplicamos calor, lo sobrecalentamos.

Como lo sabemos dos terceras partes de la superficie de la tierra están cubiertas por agua: océanos, lagos y ríos, de las cuales se desprende el vapor de agua. Las nubes, también producto de esta evaporización, contribuyen a la humedad del ambiente al condensarse y precipitarse en forma de lluvias o nieve.

Todo lo anterior es lo que sucede a la intemperie. Dentro de cada, edificios o fabricas, el vapor de agua puede provenir de las cocinas, baños, maquinas, personas, etc. así pues la cantidad de humedad en el aire en un lugar y tiempo determinados, puede variar considerablemente.

AIRE SATURADO ( CON HUMEDAD ) Imaginemos que en el piso del cuarto hay una gran charola con agua y que al igual que el aire y el vapor, están todos a la misma temperatura de 15°C supongamos que aumentamos un calor suficiente a 21°C ocuparía todo el cuarto, mezclándose con el vapor ya existente. Todo el vapor se convertirá más denso y a más alta presión.

Por su parte, el aire por ser un gas altamente sobrecalentado, se expande al ser calentado. Y suponemos que el cuarto no esta completamente

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sellado y habrá fugas. Aun que con el vapor saturado; esto es reteniendo toda la humedad que puede a esa temperatura.

En algunas épocas del año, el aire atmosférico contiene mas humedad que otras. En realidad, la máxima variación en el contenido de humedad , nunca pasa de más de unos cuantos gramos por pie cúbico.

HUMEDAD RELATIVA Es un término utilizado para expresar la cantidad de humedad en una muestra de aire, en comparación con la cantidad de humedad que el aire tendría, estando totalmente saturado y a la misma temperatura de la muestra. La humedad relativa se expresa en porciento, tal como 50%, 75%, 30%, etc.

HUMEDAD ABSOLUTA Se refiere al peso del vapor de agua por unidad de volumen. Esta unidad de volumen, generalmente es un espacio de un metro cúbico o pie cúbico.

La habilidad para retener mas agua a más altas temperaturas, no depende del aire. Se conoce como el hecho de que la densidad y presión del vapor de agua saturado, son mayores a más altas temperaturas que a bajas temperaturas.

HUMEDAD ESPECÍFICA La humedad especifica, o también llamada contenido de humedad, es el peso de vapor de agua en gramos de kilogramos de libra.

La humedad especifica, se refiere a la cantidad de humedad en peso, que se requiere para saturar una libra de aire seco, a una temperatura de saturación ( punto de roció ) determinada.

PUNTO DE ROCIO El punto de roció se define como la temperatura debajo de la cual el vapor de agua en el aire, comienza a condensarse, también es el punto de 100% de humedad. La humedad relativa de una de una muestra de aire, puede determinar por su punto de roció. Existen varios métodos para determinar la temperatura del punto de roció.

Un método para determinar el punto de roció con bastante precisión, colocar un fluido volátil en un recipiente de metal brillante, después, se agita el fluido con un aspirador de aire. Un termómetro colocado por dentro del fluido indicara la temperatura. Mientras se esta agitando, debe observarse cuidadosamente la temperatura a la cual aparecerá una niebla por fuera del recipiente de metal. Esto indica la temperatura del punto de

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roció. La niebla por fuera del recipiente, no es otra cosa que la humedad en el aire, que empieza a condensarse sobre el mismo.

Otro método para determinar el punto de roció indirectamente, es el instrumento llamado psicrometrico

PSICROMETRIA Se define como la medición del contenido de humedad del aire. Es la ciencia que involucra las propiedades termodinámicas del aire húmedo, y el efecto de la humedad atmosférica sobre los materiales y el confort humano. Y el método de controlar las propiedades térmicas del aire húmedo. Esto se puede llevar a cabo a través de una carta PSICROMETRICA, donde se puede leer todas sus propiedades termodinámicas del aire húmedo a ciertas condiciones.

DIAGRAMA PSICROMETRICO

ENTALPIA La entalpía es el calor total contenido en una libra de una sustancia, medida a partir de un punto de referencia. Este punto de referencia es 0º F para el aire seco, 32º F para vapor de agua y –40º F para refrigerantes.

PRESION DEL VAPOR es la fuerza ejercida en cierta región por el vapor contenido en el aire, la cual se mide en pulgadas de mercurio.

AIRE SECO es el que no contiene vapor de agua. Es una mezcla de aproximadamente 80% de nitrógeno, 19% de oxigeno y 1% de otros gases tal es como argón, bióxido de carbono e hidrógeno.

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1.9 AISLAMIENTO

Cualquier material que deteriore o ayude ha evitar la trasferencia de calor por cualquier medio, se llama y puede usarse como aislamiento. Por supuesto ningún material parara completamente el flujo de calor. Si existirá tal sustancia, seria muy fácil enfriar cualquier espacio dado a una temperatura deseada y mantenerla allí.

Sustancias tales como el corcho, fibra de vidrio, lana mineral y espuma de poliuretano, son buenos ejemplos de materiales aislantes; pero otras numerosas sustancias se usan para aislar espacios refrigerados o edificios.

Los materiales compresibles, tales como sustancias fibrosas, ofrecen mejor aislamiento si se instalan flojas o en forma de hojas, que si se comprimen o empacan fuertemente.

El aislamiento debe ser resistente al fuego, a la humedad y a prueba de insectos.

CONDUCTIVIDAD, CONDUCTANCIA Y RESISTENCIA TERMICA

CONDUCTIVIDAD “K” Se define como la intensidad de trasferencia de calor a través de un material por cada unidad de espesor en pulgadas.

Para reducir la trasferencia de calor a través de un material, el factor de conductividad térmica deberá ser tan pequeño como sea posible o tan grande como sea posible.

CONDUCTANCIA “C” Se define como la intensidad de transferencia de calor que tiene lugar a través de un material para un espesor dado.

CONDUCTANCIA DE LA CAPA SUPERFICIAL DEL AIRE

La transferencia de calor a través de cualquier material esta relacionada son la resistencia superficial del aire al flujo de calor, y esta determinada según el tipo de superficie, áspera o lisa; su posición, horizontal o vertical;

sus propiedades reflectoras y la intensidad de flujo de aire sobre la superficie. La conductancia de la capa superficial de aire se designa normalmente con “Fi” para superficies interiores y “Fo” para superficies exteriores.

RESISTENCIA TERMICA “R” La resistencia térmica se define como la resistencia de un material al flujo de calor y es por definición, el reciproco del coeficiente de una trasmisión de calor R=1/C.

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COEFICIENTE TOTAL DE TRASFERENCIA DE CALOR “U”

El coeficiente total de trasferencia de calor “U” se define como la intensidad total de transferencia de calor a través de la superficie de un material.

El factor U es el coeficiente de transferencia de calor resultante después de tener encuentra la conductancia de la capa superficial del aire. Su forma de calcularse es: 

k  F  x  k 

x  F  C 

TOTAL 

TOTAL 

U  1 

1  1 

1

=

+ + + +

=

C

Conductancia del material

Y  Conductividades térmicas de los materiales

Y  Espesor del material.

El coeficiente total de transferencia de calor de las paredes, pisos y techos varía según las características:

1. Tipo de Construcción

2. Áreas expuestas a diferentes temperaturas 3. Tipo y espesor de aislante

4. Diferencia de temperatura entre el espacio acondicionado y el no acondicionado.

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B A L A N C E T É R M I C O

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CAPITULO 2 

B A L A N C E  T É R M I C O 

2.1 ANÁLISIS DEL LOCAL

El acondicionamiento de aire es mantener, dentro de un espacio determinado, condiciones de comodidad, o bien las necesarias para la conservación de un producto o para un proceso de fabricación. Para conseguirlo debe instalarse un equipo acondicionador de capacidad adecuada y mantener su control durante todo el año. La capacidad del equipo se determinara de acuerdo con las exigencias instantáneas de la máxima carga real o efectiva. Es imposible medir las cargas reales máxima o parcial en un espacio dado, por lo que es preciso hacer un cálculo a la estimación de carga.

Antes de hacer una estimación de carga es necesario realizar un estudio completo que garantice la exactitud de evaluación de las componentes de la carga.

ESTUDIO DEL LOCAL

Para una estimación realista de las cargas es necesario los planos arquitectónicos para obtener orientación del edificio, destino del local como será utilizado, dimensiones del local, alturas, materiales y espesores de paredes y techos, dimensiones de ventanas, ocupantes del edificio, tipo de alumbrado, tipo de maquinaria o equipo a utilizar, etc.

APROXIMACIÓN DE CARGA TÉRMICA

Un buen ingeniero revisa meticulosamente los planos de Construcción y realiza una inspección de la construcción y realiza una inspección de la casa desde el fondo hasta el techo, la cual le dirá el estado de la casa. Se le da en particular atención a los tipos de muros, techo o plafón, techumbre y sus exposiciones y orientaciones. También deberá contemplarse áreas problemáticas que merecen un trato especial. La estimación de carga debe basarse en esta información.

Siempre es necesario hacer a un lado los métodos estimativos para el cálculo de cargas. Aquellos siempre producen equipos de tamaño o menor que el necesario, lo cual deja descontento al cliente. El equipo sobredimensionado no satisface las condiciones de diseño.

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CONDICIONES RECOMENDABLES PARA DISEÑAR EN VERANO

La temperatura afectivas durante el año, por lo general varían desde 68°F a 78°F, dependiendo de los factores así como las humedades relativas que van desde 40 a 60%, como máximo.

El acondicionamiento de aire en casas, edificios o en la industria se hace por dos razonamientos principales: proporcionar comodidad al humano, y para un control mas completo del proceso de manufactura; el control de la temperatura y la humedad, mejora la calidad del producto terminado.

Un ingeniero emplea una gran cantidad de tiempo en materia de cálculos de carga, por que el cliente espera una instalación económica y practica.

ALMACENAMIENTO DE CALOR

La ganancia total instantánea de calor en un caso general de acondicionamiento de aire a efectos de comodidad se compone de calor solar, iluminación, personas, transmisión a través de las paredes y vidrios, infiltración, aire de ventilación y, en algunos casos, maquinaria, utensilios, gran parte de esta ganancia instantánea de calor es calor radiante que no constituye una carga instantánea para el equipo, por que debe incidir sobre la superficie del sólido y ser absorbida por ella antes de ser carga para el equipo.

Cuando el calor radiante incide en cualquier superficie sólida (paredes, techos, suelo) es absorbido, elevando la temperatura del material interior y la del aire contiguo a dicha superficie, esta diferencia de temperatura de temperatura hace que el calor se trasmita al interior del material ( por conducción ) y desde la superficie al aire ( por conveccion ). El calor transmitido por conducción desde la superficie se almacena y el transmitido por conveccion desde la superficie se convierte en una carga instantánea. En la mayoría de los materiales de construcción la resistencia térmica del material es mucho menor que la resistencia térmica del aire;

por eso la mayor parte del calor radiado se almacena. No obstante, a medida que continúa este proceso de absorción del calor radiante, el material se calienta progresivamente y pierde su capacidad de almacenar más calor.

El procedimiento de evaluar la ganancia instantánea de calor dentro del espacio acondicionado y suponer que el equipo de acondicionamiento eliminara el calor con la misma velocidad que lo produce. No obstante los equipos seleccionados a base de esto quedan sobredimensionados y por

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consiguiente pueden mantenerse condiciones ambientales muy inferiores a las proyectadas.

EFECTOS DE SOLEAMIENTO DE UN INMUEBLE

El análisis de un inmueble en la ciudad de México con latitud norte 19°24´

LATITUD La ciudad de México se encuentra en una latitud cercana al ecuador ( dentro del trópico de cáncer ) por lo que los cambios a lo largo del año no son demasiados bruscos, incluso hay rayos que inciden perpendicularmente a la superficie de la tierra.

ALTITUD ( 2240m sobre el nivel del mar ), aunque la latitud indica que el lugar tiende a ser caliente, en este caso la latitud es muy importante, ya que mientras mas alto es un lugar, contiene menos aire que acumula calor y tiende a ser frió.

2.2 ORIENTACIÓN

ORIENTACIÓN SUR En este caso es una de las fachadas que cuenta con más ventajas, pues tiene sol todo el día durante el invierno, época en que más se necesita, y no así durante el verano, época en que debe evitarse.

ORIENTACIÓN NORTE Es una orientación que debe evitarse, ya que recibe el sol cuando menos se desea y no lo tiene cuando mas hace falta.

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ORIENTACIÓN ESTE La mayoría de las construcciones orientadas así solo se asolean un lado de la construcción y se asolea cuando menos por la mañana.

ORIENTACIÓN OESTE Cuando el sol ha calentado la tierra y el ambiente durante la mitad de la mañana, la fachada oeste comienza a penetrar el sol, después de mediodía.

2.3 TIPOS DE GANANCIA DE CALOR

Al existir una diferencia de temperatura entre dos puntos de un mismo cuerpo, se establece un flujo de calor desde el punto caliente hacia un punto frió. También existirá una transferencia de vapor de agua entre dos puntos cuyas diferencias de vapor son distintas. La cantidad de calor o de vapor depende de la resistencia que ofrezca el cuerpo entre dos puntos considerados. Si el vapor de agua entra en contacto con una superficie cuya temperatura sea inferior a su punto de roció, el vapor se condensa.

GANANCIA DE CALOR A TRAVÉS DE SUPERFICIES EXTERIORES

Las ganancias de calor a través de la superficie exterior (muros y techumbres) se calculan a la hora de máximo flujo térmico, y se deben, no solo a la diferencia entre la temperatura de aire que baña sus caras exteriores e interiores, sino también al calor solar absorbido por esas caras exteriores. La radiación y la diferencia de la temperatura exterior y la interior son variables en el transcurso del día, por lo que la intensidad del flujo a través de la estructura exterior es inestable. Por eso se recurre al concepto empírico de “diferencia equivalente de la temperatura” definida como la diferencia entre temperaturas de aire interior y exterior que resulta del flujo calorífico total a través de la estructura originado por la radiación solar variable y la temperatura exterior. Esta diferencia equivalente de temperatura a través de la estructura debe tener en cuenta los diferentes tipos de Construcción y orientaciones situación del edificio ( latitud y longitud ) y las condiciones particulares del proyecto por lo que se tiene: 

T  UxAx  Q = D

Q = flujo de calor ÷ ø ç ö

è æ 

hr  BTU 

U = coeficiente global de transmisión ÷ ø ç ö

è

æ xpie x °F  hr 

BTU  2

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A = área (  pie 2  )

DT = diferencia equivalente de temperatura ( °F )

CONDUCCIÓN DE CALOR A TRAVÉS DE UN MURO

La perdida de calor a través de la construcción exterior ( paredes y techo ) se calcula inmediatamente a la hora máxima de flujo térmico, el cual tiene lugar en la madrugada después de algunas horas de temperaturas exteriores baja.

El flujo térmico a través de la construcción interior ( suelos, techo y muros ) esta originado por la diferencia de temperaturas del aire de ambos lados de la estructura, diferencia que es sustancialmente constante y, por lo tanto, el flujo térmico se puede determinar por ecuaciones correspondientes al estado estacionario utilizando temperaturas reales existentes.

Cuando la cara exterior esta sometida directamente a la radiación solar la mayor parte del calor recibido es absorbido por el material de construcción del muro cuya temperatura se eleva por encima de la del aire y se va transmitiendo el flujo de calor por medio de los materiales de construcción que se vaya teniendo y se necesita un cierto tiempo de horas para que el flujo de calor entre al cuarto dependiendo de la rapidez del flujo al tipo de material del muro.

Un aumento de la temperatura exterior se traduce en una disminución de la cantidad de calor absorbido que sede al aire exterior y aumento del flujo hacia el interior. Este mismo proceso tiene lugar en mayor o menor grado en cualquier tipo de construcción, dependiendo de la resistencia y la capacidad térmica de la pared.

Referencias

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